Noud Maas is radarsysteemengineer bij TNO.

5 november

Voor kleine drones heeft TNO een nieuwe sensor ontwikkeld waarmee zowel conventionele als geavanceerde radarmodi mogelijk zijn. Het 32-kanaals omnidirectionele ontwerp is volledig anders is dan dat van bestaande radarsystemen, vertelt Noud Maas.

Kleine drones, met een maximale belasting van een kilo, vliegen steeds vaker uit om te meten of te monitoren. Daarvoor krijgen ze een veelheid aan verschillende typen kleine sensoren aan boord. Ondanks hun alom bekende voordelen zijn er heel weinig radarsystemen geschikt om aan een drone te hangen; ze zijn te groot of vragen te veel vermogen.

Bij TNO hebben we brede ervaring opgedaan met het ontwerp en de toepassing van kleine meerkanaals radarsystemen, zowel voor beeldvormende aardobservatie als voor grondgebaseerde bewaking. Voor kleine drones hebben we een nieuwe sensor ontwikkeld waarmee zowel conventionele als geavanceerde radarmodi mogelijk zijn. Het 32-kanaals omnidirectionele ontwerp (waar we patent op hebben aangevraagd) is volledig anders dan dat van bestaande radarsystemen.

Auto-focusing

Conventionele radarsystemen voor aardobservatie zijn gewoonlijk gemonteerd op de zijkant van een vliegtuig. Met een smalle bundel kijken ze dan zijwaarts naar het aardoppervlak. Ze scannen de aarde in wezen zoals een flatbedscanner en belichten alles vanaf één kant, een beetje zoals de laagstaande zon de aarde verlicht.

Een typische drone gedraagt zich niet zoals een vliegtuig; er is geen duidelijk gedefinieerde voor- of achterkant en het toestel kan zich in elke willekeurige richting bewegen, ook verticaal. Traditioneel moeten we de afwijkingen van het vliegtuig corrigeren ten opzichte van de perfecte rechtlijnige vliegbeweging om hogeresolutiebeelden te verkrijgen. In plaats daarvan willen we nu juist de beweging in elke richting gebruiken om naar alle kanten te kunnen kijken met hoge resolutie. Dat betekent dat we zelfs driedimensionale beelden van het belichte gebied kunnen maken, maar het vraagt wel om een compleet andere ontwerpstrategie voor de sensor.

Voor een optimale benutting van de nieuwe mogelijkheden moet de radar aan boord van de drone zo’n beetje alles om zich heen kunnen belichten. De meest eenvoudige oplossing zou zijn om een enkele kleine omnidirectionele antenne te kiezen voor zowel zenden als ontvangen. Daarnaast zal de sensor een zogeheten inertial measurement unit (imu) moeten gebruiken met versnellingsopnemers en gyroscopen om nauwkeurig de lineaire en hoekpositie van de drone te bepalen. De nauwkeurigheid van de huidige imu-technologie is echter nog onvoldoende voor hogeresolutieradarbeelden.

De sensor (zonder radomes) gemonteerd onder een drone

Dit probleem hebben we opgelost met behulp van een techniek die bekendstaat als auto-focusing en die het ontvangen signaal van de radar zelf gebruikt. Het lijkt een beetje op de automatische scherpstelling van een optische digitale camera, gebaseerd op contrastdetectie door de ccd-sensor. Om dit mogelijk te maken, hebben we meerdere ontvangstkanalen nodig, te vergelijken met de pixels van een ccd-sensor. Met een gps-ontvanger bepalen we vervolgens de positie van de drone ten opzichte van het aardoppervlak.

De zender bevat een 9 tot 10 GHz signaalgenerator en zestien zendkanalen met antennes.

Schotelvormig systeem

Het resultaat is een nieuwe omnidirectionele radarsensor met meerdere kanalen. Los van de functionele eisen is het gewicht een kritieke eigenschap voor elke drone omdat dat direct invloed uitoefent op de maximale vluchtduur door de toename in vermogensopname van de motoren. De vermogensopname van de radar zelf is minder kritiek omdat een gemiddelde drone die één kilo kan dragen zelf al snel 500 W verbruikt.

Onze sensor maakt gebruik van frequency modulated continuous wave-radartechniek (fmcw) en werkt over een frequentiebereik van 9 tot 10 GHz. Het schotelvormige systeem bevat slechts drie meerlaagse pcb’s, waarop zowel de elektronische circuits als de antennes zitten. In totaal gebruikt het zestien zendantenne-elementen en 32 ontvangstantenne-elementen die we in twee cirkels hebben geplaatst, met gelijke onderlinge afstanden.

Het eerste bord, de zender, bevat een 9 tot 10 GHz signaalgenerator en zestien zendkanalen met antennes. De generator wekt een spectraal zuivere draaggolf op, is volledig programmeerbaar en kan een zeer lineaire frequentiezwaai van 1 GHz produceren. We kunnen elk zendkanaal individueel aan- en uitzetten om een veelheid aan belichtingsbundels te maken, van omnidirectioneel (alle kanalen aan) tot directioneel (bijvoorbeeld één kwadrant aan), maar ook dynamisch schakelen tussen verschillende kanalen voor mimo-functionaliteit (multiple input multiple output). In totaal kunnen we een zendvermogen van ongeveer 500 mW opwekken (alle kanalen aan), waarmee we een bruikbaar afstandsbereik van tweehonderd meter halen, overeenkomend met een belicht aardoppervlak van 125 duizend vierkante meter (ongeveer 25 voetbalvelden). Het bord heeft een diameter van 122 mm en bevat zestien high-intensity witte leds om zichtbaar te maken welke zendkanalen actief zijn.

De ontvanger heeft 32 individuele kanalen, elk met zijn eigen antenne en adc.

Het tweede bord, de ontvanger, is ook rond en heeft 32 individuele kanalen. Elk kanaal heeft zijn eigen antenne en adc. Omdat de afstand tussen de antenne-elementen gelijk is aan die op de zender, heeft de ontvanger een grotere diameter: 222 mm.

Nov
28

Benelux RF Conference

Nijmegen

Learn about 5G, advanced technologies, powered by RF, radar, smart antennas

Het derde, digitale bord voorziet zender en ontvanger van de juiste spanningen, verzorgt de besturing via I2C en leest de data van de 32 adc’s in de ontvanger uit. Hart van dit bord is een module met onder meer een fpga met twee Arm-processoren waarop een Linux-systeem draait. Tijdens de vlucht slaan we de ontvangen data van de 32 kanalen op op een 250 GB M.2 Sata-ssd met een snelheid van 750 Mb/s. Daarnaast is het bord verbonden met een commerciële imu/gps-sensor. Ook deze data stuurt het naar de ssd. Een Gigabit Ethernet-verbinding vormt de interface naar een externe pc om de instellingen van het systeem aan te passen en/of de opgenomen data te downloaden waarmee de uiteindelijke beelden zijn te berekenen.

Het digitale bord combineert een fpga, een ssd en voedingscircuits.

Twintig minuten werken

De solide mechanische constructie bestaat uit verschillende speciaal ontworpen aluminium delen. Deze functioneren als afscherming, ze voeren de warmte af en ze houden de elektronische borden op hun plek. Daarnaast zorgen ze voor de juiste antenne-elevatiebundel en een voldoende hoogfrequente scheiding van zender en ontvanger. Dit laatste om verminderde ontvangstgevoeligheid door directe overspraak te voorkomen.

De sensor heeft 360 graden rondzicht, maar de verticale antennebundel is beperkt tot het gebied omlaag kijkend onder 45 graden tot kijkend naar de horizon. Deze waardes zijn gebaseerd op een voorziene vlieghoogte tot enkele tientallen meters. Kunststof 3d geprinte radomes rondom de antennes beschermen tegen vocht en stof.

De radar krijgt zijn voeding van twee kleine 3,7 V high-current Li-ion-accu’s met een totale capaciteit van 8,9 Wh. Met een maximaal opgenomen vermogen van 24 W (alle kanalen operationeel) kan het systeem minimaal twintig minuten werken, wat overeenkomt met de typische maximale vliegduur van de drone. De complete sensor (inclusief behuizing en accu’s) weegt ongeveer achthonderd gram, heeft een diameter van 25 centimeter en is zes centimeter hoog.

Dit concept heeft de potentie om een veelvoud aan geavanceerde radartaken uit te voeren die door gewichts- en vermogensbeperkingen tot nu toe niet mogelijk waren met drones. Daarnaast maken het omnidirectionele bereik, de meerdere kanalen en de mimo-mogelijkheden op een zeer bewegingsvrij platform innovatieve radarsensorfuncties mogelijk. De ontwikkeling kadert binnen de US Grant, Award No. N00014-16-1-2644, in opdracht van het Office of Naval Research.

Redactie Nieke Roos