Imaging at 94 GHz for aircraft landing scenarios

Loading...
Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis

Date

2023-06-12

Department

Major/Subject

Microwave Engineering

Mcode

ELEC3051

Degree programme

Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)

Language

en

Pages

36

Series

Abstract

Landing an aircraft onto a runway requires sufficient visibilty. Developing a system that could reliably detect the runway in weather conditions such as fog, rain or snowfall would be highly beneficial for the aviation industry. The millimeter wave frequency of 94 GHz has the potential to be suitable for passive or active imaging in these conditions. The thesis starts by evaluating the theoretical range of imaging at 94 GHz by analyzing experimental and simulation data from current research. The feasibility of passive imaging is determined by analyzing the radiometric properties of materials in a typical runway environment, using a Matlab simulation of the radiometric contrast between asphalt and soil covered with vegetation. Finally, antenna systems for imaging are discussed, and a design concept based on a reconfigurable reflectarray is presented with theoretically evaluated performance figures. Research data indicates that propagation at 94 GHz through fog with an optical visibility of up to 100 m is very good, enabling visibility of 18 km at 18 dB total attenuation. Propagation during moderate rainfall is significantly worse. The effect of snow was expected to be less significant than rain, but results were inconclusive. Passive imaging for aviation applications was shown to not be viable in the simulation, due to the radiometrically warm sky at low elevation angles and the resulting poor contrast of a few degrees of K even in best-case scenarios. Active imaging was shown to be more suitable. The design concept is an offset-fed reconfigurable reflectarray antenna, which was shown to achieve a half-power beamwidth of 0.92 degrees with a 400-millimeter diameter reflector and an expected aperture efficiency of 40%. Active imaging with electrical beam steering using either MEMS or PIN diodes for 2-bit discrete phase shifting was expected to achieve video rates of 50x22 pixels at 10 Hz, and 63x22 pixels at 10 Hz respectively. The concept's performance was mostly insufficient, but is noted as a good basis for future development for 94-GHz imaging.

Ilma-alusten laskeutuminen edellyttää tarpeeksi hyvää näkyvyyttä. Järjestelmä, joka kykenisi havaitsemaan kiitotien huonoissa sääolosuhteissa, kuten sumussa ja vesi- tai lumisateessa, olisi erittäin hyödyllinen ilmailualan sovelluksia ajatellen. Kuvantaminen millimetriaaltoja hyödyntäen, erityisesti 94 GHz:n taajuusalueella, on eräs potentiaalinen menetelmä passiiviseen tai aktiiviseen kuvantamiseen näissä olosuhteissa. Työ alkaa arvioimalla teoreettista kantamaa kuvantamiselle 94 GHz:n taajuudella analysoimalla kokeellista ja simuloitua dataa tämänhekisistä tutkimuksista. Passiivisen kuvantamisen soveltuvuutta arvioidaan analysoimalla tyypillisen laskeutumisalueen materiaalien radiometrisiä ominaisuuksia, kuten asfalttia sekä kasvillisuuden peittävää maaperää, ja suorittamalla näiden avulla Matlab-simulaatio radiometrisestä kontrastista. Viimeiseksi työ tarkastelee antennijärjestelmiä kuvantamiseen, ja esittelee suunnittelukonseptin muokattavasta heijastinryhmäantennista sekä sen teoreettisesti laskettuja suorituskykyarvoja. Tutkimusdatan mukaan 94 GHz:n signaalin eteneminen sumun läpi on erittäin hyvä ja saavuttaa 18 kilometrin kantaman 18 dB:n kokonaisvaimennuksella. Eteneminen kohtalaisen sademäärän vallitessa on merkittävästi huonompaa. Lumisateen vaikutuksen etenemiseen ennustettiin olevan parempi kuin vesisateen, mutta luotettavia tuloksia ei saatu. Passiivinen kuvantaminen ilmailualan sovelluksiin osoittautui työssä tehtyjen simulaatioiden perusteella soveltumattomaksi, johtuen taivaan radiometrisesti lämpimästä kirkkauslämpötilasta matalilla korkeuskulmilla sekä simulaatiossa ilmenneestä kohteiden huonosta radiometrisestä kontrastista, joka oli selkeälläkin säällä vain muutamia Kelvin-asteita. Aktiivinen kuvantaminen osoittautui paremmin soveltuvaksi. Esitelty suunnittelukonsepti on sivusta syötetty muokattava heijastinryhmäantenni, jonka osoitettiin saavuttavan 0.92 asteen keilanleveyden 400 millimetrin halkaisijaltaan olevalla heijastinpinnalla sekä 40%:n oletetulla apertuurihyötysuhteella. Aktiivinen kuvantaminen sähköisellä keilansuuntauksella käyttäen joko MEMS-kytkimiä tai PIN-diodeja 2-bittiseen diskreettiin vaihesiirtoon odotettiin saavuttavan vastaavasti 50x22 tai 63x22 pikselin videokuvaa 10 Hz:n kuvataajuudella. Konsepti oli suorituskyvyltään laskennallisesti riittämätön ilmailualan sovelluksiin, mutta sen huomioitiin olevan hyvä perusta 94 GHz:n kuvantamislaitteiden jatkokehitykseen.

Description

Supervisor

Viikari, Ville

Thesis advisor

Ala-Laurinaho, Juha

Keywords

active imaging, electrical beam steering, enhanced vision system, millimeter wave, passive imaging, reflectarray

Other note

Citation