Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og du accepterer, at Teknologiens Mediehus og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, job og tilbud m.m. via telefon og e-mail. I nyhedsbreve, e-mails fra Teknologiens Mediehus kan der forefindes markedsføring fra samarbejdspartnere.
forskningsingeniøren bloghoved

Fakirseng-antenne til fremtidens rummissioner til jordobservationer

Jordobservationer fra satellitter

Satellitter og rummissioner har mange både kommercielle og videnskabelige formål, og blandt de mest kendte er formentlig brugen af satellitter til at levere forudsigelser om vejret forskellige steder på jorden i form af vejrudsigter.

Måling af sådanne meteorologiske data er blot ét eksempel på såkaldte jordobservationer, som mere generelt beskæftiger sig med at levere observationer og data af jordens fysiske, kemiske og biologiske tilstand og forhold. Disse bruges, udover til vejrudsigter, bl.a. til at få indsigt i jordens atmosfære, klimaforandringer, udviklingen i vegetation på jorden, tilstanden i jordens have samt udviklingen i mængden af is på jorden.

Nogle eksempler på jordobservationsmissioner er Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) instrumentet fra ESA samt Soil Moisture Active Passive (SMAP) instrumentet fra NASA.

Læs også: ESA melder ny is-satellit klar til opsendelse

Læs også: Satellit skal måle jordens fugtighed

Mikrobølgeradiometre som fjernsensorer

Til sådanne missioner benyttes på satellitterne såkaldte mikrobølgeradiometre, der måler på den termiske udstråling fra f.eks. verdenshavene. Radiometeret fungerer med andre ord som fjernsensor af jorden, idet satellitten typisk befinder sig i flere hundrede kilometers højde over jorden.

Radiometermålinger udtrykkes ofte ved den såkaldte brightness temperatur, og for den givne anvendelse er det centralt at kunne måle denne størrelse med den nødvendige præcision. Instrumentet skal altså meget kort fortalt måle temperaturen forskellige steder på jordoverfladen.

Hertil benyttes instrumentets antenne, som udsender et beam, der på jordoverfladen er enten cirkulært eller elliptisk. Efterhånden som satellitten bevæger sig henover jorden, scanner dette antennebeam med og "opsamler" temperaturfordelingen.

En illustration af dette for NASAs SMAP-instrument ses i billedet herunder.

Illustration: NASA

Nu er det imidlertid sådan, at en praktisk antenne ikke blot udsender i et cirkulært område, men i princippet udsender et signal af en vis styrke i næsten alle retninger. Og jo større beamet er, og jo mere signal der sendes uden for det cirkulære område, jo større er risikoen for, at instrumentet ikke måler temperaturen præcist nok, fordi den termiske udstråling fra andre dele af jordoverfladen dermed uønsket bidrager og støjer.

Parabolantenne-barnelærdom

For meget direktive antenner som de store parabolantenner, der typisk benyttes på satellitter, sendes langt det meste signal inden for en smal kegle svarende til det omtalte cirkulære område, hvilket er den såkaldte hovedbeam. Men der udsendes også en mindre del i de såkaldte sidesløjfer.

Det er parabolantenne-barnelærdom, at størrelsen af reflektoren i store træk bestemmer, hvor stor hovedbeamet bliver, mens at belysningen af reflektoren afgør niveauet for sidesløjferne.

For en givet ønsket opløsning af målingerne på jorden (: størrelsen af hovedbeamet) kan man derfor bestemme, hvor stor en parabolantenne man behøver, mens at valg og design af den antenne, der skal belyse reflektoren, bestemmer antennens sidesløjfer og dermed implicit præcisionen af målingerne.

I SMAP-illustrationen fra ovenfor sidder den parabolske reflektor - som i øvrigt er en udfoldelig antenne - øverst på satellitten, fastholdt af en form for guldfarvet arm. Denne reflektor har en diameter på 6 meter, hvilket fastlægger instrumentets opløsning på jorden. Belysningen af reflektoren kommer fra den såkaldte antenne-feed, der er den trekantformede og guldfarvede struktur, der sidder ovenpå satellitkroppen.

ESA-studie til fremtidens missioner

I konteksten af satellitobservationer af verdenshavene har vi i TICRA netop afsluttet et studie, som blev bestilt af ESA med henblik på at udvikle og modne den antenneteknologi, der skal til for at levere bedre og mere præcise målinger i fremtidige missioner.

Sammen med vores projektpartnere fra Chalmers universitetet i Göteborg og DTU Space var vi i sidste uge til Final Review af projektet på European Space Research and Technology Centre (ESTEC), som er ESAs tekniske hovedkvarter i Holland.

I projektet har vi udviklet en antenneprototype, som vi har vist kan give mere præcise havmålinger, når denne anvendes i et såkaldt conical-scan radiometer. Denne antenne, som ikke anvendes i nogen missioner i dag, udmærker sig specielt ved, at den sikrer, at man til havmålinger kan måle væsentligt tættere på land og havis, end hvad der i dag er muligt.

Fakirseng-antenne

Antennen er feed-antennen for en parabolsk reflektor, så den ville i princippet kunne erstatte den trekantformede feed-antenne i SMAP-instrumentet. Der er ydermere tale om en såkaldt array antenne, der består af 67 mindre antenner, som sidder sammen ovenpå en jordplan.

Vores kolleger Marianna Ivashina og Oleg Iupikov fra Chalmers universitetet har stået for det detaljerede design samt for at fremstille antennen, som kan ses i billederne herunder. Pga. de spidse elementprofiler omtaler en af mine kolleger ofte antennen som en fakirseng.

Illustration: Jakob Rosenkrantz de Lasson

Jordplanen måler 26.5 cm på den lange led, 20 cm på den kort led, og dens tykkelse er 0.5 cm. Hver af de 67 antenneelementer er knap 3 cm brede og godt 8 cm i højden.

Illustration: Jakob Rosenkrantz de Lasson

Som et centralt aspekt af antennen kan hvert af de 67 elementer exciteres uafhængigt af de andre, idet der på bagsiden af jordplanen er en såkaldt SMA-connector, hvor der kan tilsluttes et coaxialkabel, for hvert element.

Illustration: Jakob Rosenkrantz de Lasson

Når der for det enkelte element sendes et signal ind, sætter dette umiddelbart strømme op på den mikrostriplinje, som er et vinklet stykke metal, sluttende i en "vifte", og som sidder på den hvide boks på det enkelte element. Dette giver nye strømme på bladene, som udstråler antennens såkaldte fjernfelt.

Som et eksempel ses i billedet herunder en computersimulering i TICRAs GRASP-software af strømfordelingen på antennen, når der sendes signal ind på ét elements port, mens alle andre elementer er tilpassede.

De stærkeste strømme ses på det centrale element, som umiddelbart exciteres, men der ses også strømme på naboelementer, hvilket er et resultat af den gensidige kobling mellem antenneelementerne.

Illustration: Jakob Rosenkrantz de Lasson

Antenneprototypen er blevet målt i DTUs ESA-facilitet til antennemålinger, og vi har sammenlignet de målte antennefjernfelter med dem, vi i computersimuleringer har opnået.

Antennen i målerummet ses i billedet til højre herunder, mens at en sammenligning mellem det målte (sort) og beregnede (blå og rød er opnået med hhv. TICRAs GRASP-software og CST-software) fjernfelt for det centrale antenneelement ses til venstre herunder. Målinger og beregninger stemmer ganske godt overens.

Illustration: Jakob Rosenkrantz de Lasson

Et konferencepaper med detaljer om antennen og sammenligninger af målinger og beregninger præsenteres til EuCAP konferencen i London i april 2018

Fra ny antenne til bedre jordobservationer

Endelig har vi brugt de beregnede karakteristika for fakirseng-antennen til at udregne, hvor præcise radiometermålinger man ville kunne lave, hvis man benytter denne feed-antenne.

Denne beregning består i første omgang af en optimering af den amplitude og fase, som hver af de 67 elementer i antennen skal exciteres med. Når antennen skal bruges i praktiske missioner, skal dette håndteres med en digital beamformer.

Når disse amplituder og faser er fundet, udregner man den samlede antennes fjernfelt, og dette kan endelig omsættes til radiometerkarakteristika, der beskriver, hvor præcist instrumentet kan fjernmåle.

En begrænsning ved det konventionelle antennekoncept er, at der sendes relativt meget energi ud i antennens sidesløjfer, og dermed "opsamler" instrumentet særligt ved måling tæt på land eller havis en del støj, som gør målingen af brightness temperaturen upræcis.

Dette beskrives typisk ved den såkaldte distance to coast (se illustrationen herunder), der kvantificerer, hvor tæt på land eller havis instrumentet kan måle og samtidig måle med en præcision, som er bedre end Delta T (som i vores tilfælde er 0.25 K).

En distance to coast på 50-100 km er ikke unormal, men vi opnår med det nye antennekoncept en distance to coast på mindre end 20 km.

Illustration: Oleg Iupikov og IEEE

Figur 2 fra "Multibeam Focal Plane Arrays With Digital Beamforming for High Precision Space-Borne Ocean Remote Sensing"

Så resultaterne fra vores ESA-studie viser med andre ord, at dette antennekoncept vil kunne lave markant mere præcise målinger, når det handler om at lave havmålinger tæt ved land eller havis.

Konceptmodning og fremtidige rummissioner til jordobservationer

Antennekonceptet er imidlertid ikke specielt modent endnu, og jeg behøver nok ikke fortælle, at vores i øvrigt smukke og elegante antenneprototype ikke er space qualified hardware.

Men på ønske fra Europa Kommissionen havde ESA i sidste uge ansøgningsfrist til den næste mission inden for det såkaldte Copernicus program til jordobservationer. Heri hedder det bl.a.:

"This mission shall provide improved continuity of sea ice concentration monitoring missions, in particular in terms of spatial resolution (15 km), temporal resolution (sub-daily) and accuracy (in particular near the ice edges)..."

Og som vi har lært ovenfor, er det svært at måle præcist tæt på havis ("ice edges") med de konventionelle antennekoncepter.

Så mon ikke, at ESA i det mindste vil overveje det nye antennekoncept til sin kommende mission? Vi får se.

Note tilføjet den 28/2-18: Som Chris Bagge bemærker i kommentarerne herunder, udsender et radiometer - og dets antenne - ikke, men måler derimod (på den termiske udstråling, som beskrevet i teksten). Det er derfor ikke korrekt, når vi taler om hvordan et radiometer i praksis fungerer, at tale om, at radiometerets antenne udsender et beam. Men for en principiel diskussion om, hvordan selvsamme antenne fungerer, og hvad der skal til for at sikre en bestemt målepræcision, kan vi snakke om antenne som sender såvel som om modtager; disse beskrivelser er pga. princippet om elektromagnetisk reciprocitet ækvivalente. Når jeg derfor taler om, at antennen udsender et fjernfelt med en vis hovedbeam og en vis fordeling af sidesløjfer, er det set fra antennen fuldstændig det samme som, at denne antenne måler denne hovedbeam og fordeling af sidesløjfer.

Jakob Rosenkrantz de Lasson er civilingeniør og ph.d. i nanofotonik fra DTU. Jakob arbejder som Product Lead og forskningsingeniør hos virksomheden TICRA i København og blogger om forskning, fotonik og rumteknologi. Jakobs blog har tidligere heddet DTU Indefra (2012-2016) og DTU Studenten (2012)
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Som en der har lavet eksamensprojekt på Elektromagnetisk Institut og været elev på et af de første kurser i "Remote sensing" er der noget der forstyrrer mit blik. Mig bekendt udsender et radiometer ikke noget som helst. Det modtager derimod noget og måler en modtagen effekt. Antennen i et radiometer sender derfor ikke, den modtager. Det man formodentligt ønsker her er at der modtages mindst muligt fra antennens sidesløjfer. Når man så måler på antennen kan det godt være at man lader den sende men det er en anden sag.

  • 1
  • 0

1) Ved hvilken højde er denne minimale distance to coast beregnet?
2) Hvad er det der gør, at dette array fungerer bedre end et tilsvarende array af f.eks. patchantenner?

  • 0
  • 0

Hej Chris,

Tak for dit feedback; du har ret, radiometeret og dets antenne udsender ikke noget, men modtager derimod. For en principiel diskussion om antennen kan vi dog beskrive den som sender eller modtager - konklusionerne bliver de samme.

Jeg har tilføjet en note i slutningen af indlægget, som præciserer dette.

  • 0
  • 0

Hej Lars,

Tak for din interesse og spørgsmål.

Ad 1) Satellittens højde over jorden er i disse beregninger sat til 817 km.

Ad 2) Der er intet fundamentalt vigtigt i dette valg af arrayelementer; man kan i princippet bruge patchelementer, dipoler eller lignende og opnå tilsvarende resultater. I den første del af vores ESA-studie lavede vi et trade-off mellem forskellige kandidater til arrayelementet, og valget faldt på dette element. Men ikke fordi det mht. radiometer-karakteristika nødvendigvis er bedre end øvrige kandidater.

Det afgørende er, at der er tale om et array, hvor flere (relativt små i forhold til bølgelængden) arrayelementer bidrager til at danne de enkelte beams for radiometeret, ligesom at det enkelte element generelt bidrager til mere end ét beam. Dette står i modsætning til det konventionelle koncept, hvor hver feed - typisk i form af et feed-horn - er ansvarlig for at danne ét beam og kun ét beam.

  • 0
  • 0

Hej Jakob

Anvendes Bessel vægtede antennesignalsfødning for at minske sidesløjfer? Selvom bl.a. Philips nævner højttalere og mikrofoner som transducer, burde Bessel-vægtning også virke med antenner, da vægtningen virker bredbåndet:

Formentlig er patentet udløbet da det er fra 1983:
Direction and frequency independent column of electro-acoustic transducers US 4399328 A
U.S. Philips Corporation
1:2:2:0:-2:0:2:-2:1

Matematisk og simuleringsorienteret:
Comsol: Bessel Panel:
Citat: "...
The solution is compared with analytical results. The pressure outside of the computational domain is determined using a far-field calculation. For the chosen analysis frequency the computational mesh becomes very large therefor the model is solved using an iterative solver.
..."

Bessel arrays:
Citat: "...
Loudspeaker systems that use relatively large numbers of identical drive units tend to create a tight beam of sound and frequency 'holes' can occur. A Bessel array can result in even distribution. A proprietary system patented by Philips, lending itself to use with arrays of speakers and microphones, gives a near-spherical radiation pattern with as few as five transducers. Planes can be created using the same technique.
...
[Følgende burde betyde, at man kan danne en udstrålingsflade, som ikke er parallel med arrayets flade, men dog begrænset af den enkelte antennes åbningsvinkel. Stationær "SAR" (synthetic-aperture radar)-antenne:]
A stereo layout does not require two banks.
..."

BESSEL ARRAYS. High quality point source or stereo sound from an array of cheap drivers by Andre Jute:
Citat: “…
The answer is yes -- and no. As outdoors party motivators, Bessel Arrays can bring real quality to your barbeques at a surprisingly modest price. A tiny Bessel array can make a most superior multimedia speaker. A modest Bessel stereo square can be stunning in a large room. But anything bigger than a modest Bessel array is suitable only for use outdoors or in large venues.

"Bessel panels - high-power speaker systems with radial sound distribution" Philips Technical Publication 091, Eindhoven. Released 15 March 1983.
…”

  • 0
  • 0

Hej Glenn,

Vi har mig bekendt ikke anvendt Bessel-vægtning. Vi har brugt tre forskellige optimeringsalgoritmer/beamformere, som alle giver beams, der opfylder kravene og giver væsentligt mindre distance to coast end det konventionelle antennekoncept.

Flere detaljer om optimeringerne/beamformerne kan findes i kapitel 3 i denne ph.d.-afhandling.

  • 0
  • 0

Når der er tale om satellitter så vejes alt 'på en guldvægt'. Det bliver spændende at se hvordan i får optimeret antennen på det område, når i når så langt. Vil de enkelte antenner, der her ser ud til at være i messing, blive til sandwich konstruktioner? Hvilke materialer vil man bruge? En ting er sikkert, den massive basisplade vil være en anden teknologi. Det er samtidigt 'hyggeligt' at se, at SMA connectorer, der også blev brugt i 1973 stadig er gode nok.

  • 0
  • 0

Når der er tale om satellitter så vejes alt 'på en guldvægt'. Det bliver spændende at se hvordan i får optimeret antennen på det område, når i når så langt.

Det er helt korrekt, og én ting er derfor opførslen af antennen, som jeg her snakker om - noget andet er alle øvrige aspekter (termiske, mekaniske, modenhed af teknologi, mv.), som der også skal laves et trade-off med hensyn til.

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten