processamento mti moving target indicator - ulisboa
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Processamento MTIMoving target indicator
âą Conceito introduzido na WWIIâą TĂ©cnica de processamento de sinal desenvolvida desde a
década de 1950-60⹠Introdução de processamento digital levou à generalização
do MTI⹠Fundamental em vigilùncia aérea na presença de clutter⹠Atualmente todos os sistemas de defesa aérea utilizam
técnicas de separação dos alvos móveis do clutter
Radar â IST â A. Moreira 1
Radar MTI/ Radar Doppler de impulsos
Radar â IST â A. Moreira 2
Efeito Doppler
Determinação velocidade (CW)
Separação de alvos:
estacionĂĄrio (clutter)/ em movimento
MTI â s/ ambiguidade na distĂąncia
c/ ambiguidade na frequĂȘncia Doppler (velocidades âcegasâ)
Radar Doppler de impulsos â s/ ambiguidade na frequĂȘncia Dopplerambiguidade na distĂąncia
Ilustração das fases relativas no retorno de uma sequĂȘncia de impulsos
Radar â IST â A. Moreira 3
Radar
Impulso 1
Impulso 2
Impulso 3
Alvo parado; clutterâ Fases iguais
Alvo mĂłvel; Dopplerâ Fases diferentes
Determinação da frequĂȘncia Doppler com um radar de impulsos
Radar â IST â A. Moreira 4
Utiliza um detetor de fase
tf dt ff ±
Modulador de impulsos
Amp. de potĂȘncia
Oscilador CW ftDuplexer
Sinal de referĂȘncia
Recetor Filtro
Doppler Output
Impulsos na transmissĂŁo, e na saĂda do detetor de fase de um radar Doppler de impulsos
Radar â IST â A. Moreira 5
a) Impulsos transmitidos; b) impulsos na saĂda do detetor de fase quando fd>1/Ï (situação pouco frequente); c) idem quando fd<1/Ï. A traço interrompido representa-se o output que corresponderia a uma deteção em radar CW.
A determinação da frequĂȘncia Doppler Ă© possĂvel com tĂ©cnicas de processamento de sinal desde que o a janela de observação seja suficientemente larga (em teoria pelo menos um ciclo Doppler e em c) no mĂnimo 2 impulsos por ciclo).
Observação de retornos num âA-scopeâ
Radar â IST â A. Moreira 6
(a-e) Varrimentos sucessivos num display tipo A-scoperepresentando a saĂda de um detetor de fase.
(f) sobreposição de vĂĄrios varrimentos; efeito âborboletaâ
a) e b) Varrimentos sucessivos num display tipoA-scope representando a saĂda de um detetor defase.
c) Subtração de a) e b) resultando nocancelamento de clutter.
as setas indicam a posição de alvos móveis
Blocos de um radar MTIPAT - Transmissor com amplificador de potĂȘncia
Radar â IST â A. Moreira 7
Klystrons, TWTïżœs, CFAïżœs, ...
Recetor/ excitador
Nota: ïżœStalo = stable local oscillatorïżœ
ïżœCoho = coherent oscilatorïżœ
Mod. impulsos
Amp. potĂȘncia
StalofL
Cohofc
MixerMixer
Duplexer
Amp.IF
detetor fase
Cancelador
fL+fc
fL+fc
fL+fc ± fd
fc ± fd
fd
fc ± fd
MTI coerente
No slide anterior mostra-se um diagrama de blocos de um radar MTI coerente.
A transmissĂŁo coerente Ă© assegurada pelo âoscilador estĂĄvel coerenteâ (STALO - STAble Local
Oscillator).
O output do STALO, com frequĂȘncia fLO , e do COHO (COHerent Oscillator), fC , sĂŁo misturados por
forma a produzir a frequĂȘncia de transmissĂŁo fLO + fC .
Em torno da frequĂȘncia intermĂ©dia, IF ( Intermediate Frequency), obtĂ©m-se fC ïżœ fd misturando o sinal
com o do oscilador local (STALO). Após amplificação no amplificador de IF, o sinal é submetido,
juntamente com o sinal do oscilador COHO, a um detetor de fase, sendo convertido para a banda base.
Finalmente, o sinal Ă© submetido a um filtro cancelador, que elimina do output os sinais correspondentes a
desvio Doppler nulo (estacionĂĄrios).
Radar â IST â A. Moreira 8
Blocos de um radar MTIPOT - Oscilador de potĂȘncia como transmissor
Radar â IST â A. Moreira 9
Duplexer
Mixer MixerStalo
CohoAmp.IF
detetor fase
MagnetrĂŁo Mod. impulsos
Geradorde trigger
RF locking
IF locking
ReferĂȘncia CW
Cancelador
10
Cancelador simples
Diagrama de blocos de um cancelador simples
A/D AtrasoTp=1/fp
subtrator Valor absoluto D/A Mostrador
analĂłgico
Output MTI digital para deteção automåtica e processamento de dados
Input video bipolar
video bipolar
Video unipolar
Radar â IST â A. Moreira
11
Resposta em frequĂȘncia de um cancelador simples
AtrasoTp=1/fp
subtrator
Radar â IST â A. Moreira
x(t)
h(t)
y(t)
y(t) = x(t) â x(t â Tp)
h(t) = ÎŽ(t) â ÎŽ(t â Tp)Resposta impulsiva
H(f) = 1 â eâj2Ï f TpFunção de transferĂȘncia
Resposta
|H(f)| 2 = 4 sin2 (Ï f Tp)
|H(f)| = 2| sin (Ï f Tp)|â
Resposta em frequĂȘncia de um cancelador simples
Radar â IST â A. Moreira 12
pT/1 pT/2 pT/3 pT/3ĂĂĂ
|H(f)
|
2
1
FrequĂȘncia Doppler
Resposta de um filtro cancelador simples
|)sin(|2|)(| pfTfH p=
,...2,1n2fn
T2nv p
pn ===
llVelocidades âcegasâ
,...2,1,02
==== nnfTnvf pp
rd l
101 102 103100
101
102
103
104
105
300 MHz
1 GHz
3 GHz
10 GHz
30 GHz
distĂąncia nĂąo-ambĂgua, km
velo
cida
de c
ega,
km
/h
Velocidade cega vs DistĂąncia nĂŁo-ambĂgua
Radar â IST â A. Moreira 13
fccMURv
fcMUR
fv b
p
pb 44
22
2
11 ==ÂŽ==ll
Impulsos escalonadosperĂodos mĂșltiplos
Radar â IST â A. Moreira 14
a) Resposta em frequĂȘncia de uma linha de atraso canceladora simples para fp=1/T1 ; (b) Idem parafp=1/T2 ; (c) Resposta composta com T1 /T2=4/5
Impulsos escalonadosperĂodos mĂșltiplos
Radar â IST â A. Moreira 15
⹠Quando se usam impulsos escalonados com tempo entre impulsos com dispersão em torno de um valor central, numa proporção
âą A primeira velocidade cega tem o valor
âą Onde vB Ă© o valor que corresponderia a usar tempo entre impulsos constante
1 2
1 2
... N
N
nn nT T T= = =
1 21 ... NB
n n nvv N
+ +=
1 2 ... NT T TTN
+ +< >=
Impulsos escalonadosperĂodos mĂșltiplos
Radar â IST â A. Moreira 16
Resposta em frequĂȘncia de um 5 impulsos (4 linhas de atraso) escalonados
Radar â IST â A. Moreira 17
Comparação da resposta em frequĂȘncia de um cancelador simples e um cancelador duplo
ÎŁÎŁ-
+
-
+
Atraso Tp Atraso Tpinput output
ÎŁAtraso Tp Atraso Tpinput output
+1
+1
-2
a)
b)
a) Cancelador âduploâ; b) cancelador de 3 impulsos
Caraterização do clutter
âą Clutter Ă© um termo que se refere a qualquer objeto que gere ecos nĂŁo desejados que prejudicam
a operação de um radar. O clutter pode atingir o radar quer pelo lobo principal quer pelos lobos
secundårios do diagrama de radiação da antena.
âą O clutter pode ser classificado em duas categorias: clutter de superfĂcie e de volume.
â O clutter de superfĂcie pode ser originado por ĂĄrvores, vegetação diversa, terreno, estruturas
construĂdas pelo homem, e clutter de mar.
â O clutter de volume inclui âchaffâ *, chuva, pĂĄssaros e insectos.
â O clutter de superfĂcie pode ter variaçÔes considerĂĄveis com a ĂĄrea geogrĂĄfica, enquanto que o de
volume pode ser mais previsĂvel.
*nĂșmero elevado de dipolos refletores dispersos num volume considerĂĄvel, lançados como um meio hostil
destinado a confundir um sistema de defesa
Radar â IST â A. Moreira 18
Caraterização do clutter
âą Os ecos do clutter sĂŁo aleatĂłrios e tĂȘm caraterĂsticas semelhantes Ă s do
ruĂdo porque os refletores locais dĂŁo origem a fases e amplitudes
ârandomâ.
âą Em muitos casos o clutter Ă© mais intenso que o prĂłprio ruĂdo, pelo que
a capacidade de um radar detetar alvos sobrepostos a clutter depende
mais fortemente da relação sinal/ clutter do que da relação sinal/ ruĂdo.
Radar â IST â A. Moreira 19
Caraterização do clutter
Radar â IST â A. Moreira 20
A secção radar equivalente do clutter, sc, proveniente de uma årea de reflexão, Ac, é dada por
onde Ï0 Ă© um coeficiente de scattering do clutter, adimensional, (expresso habitualmente em dB).
Como jĂĄ referimos anteriormente, o termo que descreve a interferĂȘncia construtiva/ destrutiva das ondas
refletidas por um objeto (alvo ou clutter) designa-se por âfator de propagaçãoâ, F. Como alvo e clutter
correspondem a diferentes Ăąngulos de chegada (AoA â angle of arrival) a relação sinal/ clutter (S/C) vem
dada por
onde Fc é o fator de propagação relativo ao clutter e Ft e Fr são os fatores relativos ao percurso
transmissor-alvo e alvo-recetor (geralmente iguais).
2
22
cc
rtt
FFFC/S
ss
=
cc A0ss =
Clutter de superfĂcie
Os fatores que influenciam o nĂvel do clutter no lobo principal sĂŁo o Ăąngulo rasante (grazing angle) , a
rugosidade da superfĂcie, e o comprimento de onda (tipicamente Ï0 Ă© maior para λ menor). A figura
mostra, qualitativamente, a dependĂȘncia de com o Ăąngulo rasante. Identificam-se trĂȘs regiĂ”es: baixos
Ăąngulos rasantes (atĂ© um Ăąngulo crĂtico), regiĂŁo plana (âplateauâ), e Ăąngulos elevados (>60Âș).
Ăngulo rasante RegiĂ”es do clutter
Radar â IST â A. Moreira 21
Clutter de superfĂcie
O Ăąngulo crĂtico Ă© estimado por
onde hrms Ă© o valor estimado da rugosidade da superfĂcie (rms â root mean square)
No caso do mar, uma estimativa para hrms Ă©
onde S Ă© o estado do mar, numa escala de 1-10
Radar â IST â A. Moreira 22
rmsgc h
arcsin4ly =
72.10456.0025.0 Shrms +»
Equação do radar para clutter de superfĂcieConsidere-se a situação representada na figura
A dimensĂŁo da ĂĄrea correspondente
ao âfootprintâ Ă©
A potĂȘncia recebida de um alvo na regiĂŁo Ac Ă©
A potĂȘncia do clutter Ă©
A relação S/C vem
Radar â IST â A. Moreira 23
Ac â RΞ3dBcÏ
2cosÏ g
( ) 43
22
4 RGPS tt
t psl
=
( ) 43
22
4 RGPS ct
Ac psl
=
tqsyscR
NSdB
gtAc
30
cos2)/( =
Clutter de volume
O coeficiente de clutter de volume é expresso em m2 (RCS por resolução em volume). O clutter
âbiolĂłgicoâ (tambĂ©m designado por âangelâ), devido a aves e insetos. De acordo com referĂȘncias na
literatura, por exemplo, a RCS por ave/ insecto pode ser estimada por
(dBsm = dB/m2)
onde Wb Ă© o peso por indivĂduo em gramas. Este valor pode depender da frequĂȘncia (ex: pombo, na banda
S, ~ -26 dBsm e na banda X ~ -27 dBsm).
Outro exemplo Ă© o âchaffâ que tem RCS mĂĄxima quando os dipolos tĂȘm meio comprimento de onda.
Neste caso pode estimar-se
Onde ND Ă© o nĂșmero de dipolos num volume de resolução
Radar â IST â A. Moreira 24
bdBsmb Wlog8.546)( +-»s
Dchaff N215.0 ls »
Clutter de volume
O clutter de meteorolĂłgico ou de chuva Ă© mais fĂĄcil de suprimir que o de âchaffâ. Em primeira
aproximação as gotas de ågua podem ser consideradas esféricas e pode usar-se a a teoria de Rayleigh para
estimar a RCS das partĂculas refletoras. Sem considerar o Ăndice de refração no meio, a RCS pode ser
estimada por
onde k=2Ï/λ, e r Ă© o raio das partĂculas. Note-se que quando a polarização incidente Ă© circular (direita/
esquerda) a onda refletida Ă© circular, mas de sentido contrĂĄrio (esquerda, direita)
Definindo, η, RCS por unidade de volume de resolução VW
N Ă© o nĂșmero total de refletores
Radar â IST â A. Moreira 25
ïżœ = 9âĄr2 (kr)4 (r << ïżœ)
Ă„=
=N
ii 1sh
Clutter de volume
A RCS total devida a um volume V Ă© entĂŁo
Num volume de resolução com um feixe de secção como ilustrado na figura
!" â $%$&'()*/2
Se o feixe tiver secção elĂptica, serĂĄ !" â -. $%$&'
()*
Ξa , largura de feixe em azimute, Ξe, em elevação
Radar â IST â A. Moreira 26
Ă„=
=N
WiWi
V1ss
Clutter de volume
Considerando agora a propagação num meio com Ăndice de refração m, para a partĂcula i,
onde
e Di Ă© o diĂąmetro da partĂcula i, por exemplo
para ĂĄgua
e para gelo
entĂŁo
onde Z Ă© definido por (habitualmente expresso em mm6/m3 )
Radar â IST â A. Moreira 27
624
5
ii DKlps »
2
2
22
21
+-
=mmK
64
5
930 ii D.lps »
64
5
20 ii D.lps »
ZK 24
5
lph =
Ă„=
=N
iiDZ1
6
Equação do radar para clutter de volume
A potĂȘncia recebida de um alvo Ă© dada por
A potĂȘncia do clutter de volume Ă©
Substituindo os resultados anteriores vem (feixe com secção elĂptica)
A relação S/C vem então dada por
Radar â IST â A. Moreira 28
43
22
4 R)(GPS tt
t psl
=
43
22
4 R)(GPS Wt
W psl
=
Ă„=
=N
iiea
tW cR
R)(GPS
1
243
22
84stqqp
pl
Ă„=
= N
iiea
tV
Rc)C/S(
1
2
8
stqpq
s
FlutuaçÔes internas do clutter
Radar â IST â A. Moreira 29
As fontes com movimento de translação ou oscilação originam flutuaçÔes internas do clutter:
ex - ĂĄrvores/ ramagem e vegetação em geral - oscilaçÔes dependendo das caraterĂsticas do ventomar: translação variĂĄvel em amplitude e faseChuva: translação e oscilaçÔes dependendo das condiçÔes de turbulĂȘncia atmosfĂ©ricas
As flutuaçÔes originam espalhamento do espectro.Quanto mais espalhamento, menos efetivo é o cancelamento do clutter
FlutuaçÔes do clutter, espalhamento do espectro
Radar â IST â A. Moreira 30
Chuva (4)âChaffâ(5)
Eco de mar/Vento forte (3)Encostas arborizadas /vento a 20 mph (1)
Montes arborizados esparsos, vento fraco (2)
Espectro do clutter
Idealmente o espectro do clutter estacionårio (zero Doppler) pode ser representado por uma função delta.
Contudo, nem sempre o clutter Ă© estacionĂĄrio, por exemplo devido a vento ou ao movimento de
exploração angular da antena.
Espectro de potĂȘncia do clutter pode ser decomposto numa componente estacionĂĄria e numa ârandomâ,
em muitos caso modelada por uma distribuição gaussiana. Denotando a razĂŁo entre a potĂȘncia random e a
fixa por W2, a densidade espectral de potĂȘncia do clutter pode ser descrita por
Dado que a maior parte da potĂȘncia estĂĄ concentrada em torno da frequĂȘncia nula (estacionĂĄria), o modelo
do clutter pode muitas vezes ser simplificado para
onde Pc Ă© a potĂȘncia total do clutter
Radar â IST â A. Moreira 31
( )Ă·Ă·Ăž
öççÚ
ĂŠ --
++Ă·Ă·
Ăž
öççÚ
ĂŠ+
= 2
20
220
02
2
0 2211 ff
cffexp
)W()f(
WW)f(S
spssds
( )Ă·Ă·Ăž
öççÚ
ĂŠ --= 2
20
2 22 ff
cc
ffexpP)f(Ssps
Exemplo de um espectro de clutter
Radar â IST â A. Moreira 32
Radar â IST â A. Moreira 33
Atenuação do clutterAdmitindo por hipótese que o clutter tem uma densidade espectral representada por
ou
Obtém-se para a relação entre a amplitude do clutter sem e após filtragem, também designada por atenuação do clutter,
2
0
0
2
22
2
2
80
20
/m/s em espectro do padrĂŁo desvio/c
)f(eS)f(S
Hertz em espectro do padrĂŁo desvio/c)f(eS)f(S
cv
v
f
c
f
v
c
lsss
s
sl
s
==
Âł=
=Âł=
-
-
ĂČĂČ
„
„
=
0
20
df)f(H)f(S
df)f(SAC
Atenuação do clutter
No caso de um cancelador simples
No caso de um cancelador duplo
Radar â IST â A. Moreira 34
1>>AC
Nota: aproximação vĂĄlida se !" âȘ $%
AC =S0e
â f2
2Ï c df0
â
â«S0e
â f2
2Ï c 4sin2 Ï fTp( )df0
â
â«= 0.5
1â eâ2Ï2Tp2Ï c2
âf p2
4Ï 2Ï c2 =
f p2λ 2
16Ï 2Ï v2
AC =S0e
â f2
2Ï c df0
â
â«S0e
â f2
2Ï c16sin4 Ï fTp( )df0
â
â«â
f p4
48Ï 4Ï c4 =
f p4λ 4
768Ï 4Ï v4
Radar â IST â A. Moreira 35
Fator de melhoriaDefine-se fator de melhoria do processamento MTI pela razĂŁo entre a relação sinal/ clutterapĂłs e antes da filtragem do clutter; como o sinal detetado tambĂ©m Ă© afetado pela filtragem,toma-se como referĂȘncia o valor mĂ©dio sobre uma distribuição de velocidade radial(aproximação/ afastamento) uniforme na gama de interesse.
No caso de um cancelador simples
No caso de um cancelador duplo
I =SCR( )0
SCR( )i
âĄ
âŁâąâą
â€
âŠâ„â„
fd
=Ci
C0
ĂS0
Si
â
âââ
â â fd
= AC Ă ganhoâĄâŁ â€âŠ onde [...] se refere ao valor mĂ©dio sobre fd
22
2
22 821
)f/()f/(I
pvpc spl
sp=»
44
4
44 12881
)f/()f/(I
pvpc spl
sp=»
CaraterĂsticas de um filtro MTI
Radar â IST â A. Moreira 36
Um filtro MTI ideal deveria rejeitar o clutter dc e os mĂșltiplos de PRF mas ter uma caraterĂstica plana (flat) em todas as restantes frequĂȘncias da banda.
A possibilidade de formatar a resposta de frequĂȘncia depende em grande parte do nĂșmero de impulsos a processar; mais impulsos maior flexibilidade no desenho do filtro.
Infelizmente o nĂșmero de impulsos Ă© limitado pela velocidade de varrimento e largura do feixe da antena. AlĂ©m disso os n-1 primeiros impulsos de um cancelador de n impulsos nĂŁo dĂŁo resposta Ăștil na saĂda.
Filtros transversais (nĂŁo-recursivos)
Radar â IST â A. Moreira 37
Os canceladores simples e duplos podem nĂŁo garantir a resposta mais adequada para a filtragem MTI. Podem desenhar-se outros filtros de resposta finita (FIR) com outras funçÔes de transferĂȘncia.
Forma canĂłnica de filtros de resposta finita
w1 w2 w3 w4 w... w.. w.. wN
SOMADOR
Atraso T1
⊠Atraso TN-1
Atraso T2
Atraso T3
⊠âŠinput
output
Radar â IST â A. Moreira 38
Filtros recursivos com âfeed-backâ e âfeed-forwardâ
Configuração canónica
Uma forma mais geral de filtros com malhas de atraso consiste na utilização loops de feed-back e de feed-forward. Estes filtros recursivos (IIR â Infinite Impulse Response) tĂȘm a seguinte configuração canĂłnica
Exemplo de filtro recursivo
Radar â IST â A. Moreira 39
Usando a transformada Z
c/ z = e j2Ï f T
1
1
11)( -
-
--
=KzzzH)2cos(21 Tfzz p=+ - ( )
fTKKfTeH fTj
ppp
2cos2)1()2cos1(2
222
-+-
=
y(t) = x(t) â (1 â K)w(t) v(t) = y(t) + w(t) w(t) = v(t â T)
Y(z) = X(z) â (1 â K)W(z) V(z) = Y(z) + W(z) W(z) = zâ1V(z)
Exemplo de filtro recursivo
Radar â IST â A. Moreira 40
Neste exemplo de filtro comparam-se as respostas de amplitude, na frequĂȘncia, para diferentes valores de K. Para K=0 reduz-se a um filtro cancelador simples; para outros valores de K a resposta pode ser mais aplanada, mas note-se que para evitar oscilaçÔes temporais o nĂșmero de impulsos a processar deve ser da ordem de (1-K)-1, o que para K=0.9 corresponde a 10 impulsos.
Radar â IST â A. Moreira 41
Exemplo de filtro recursivo
Exemplo de realização de um filtro de Chebyshev com 0.5 dB de ripple na banda passante
Função de transferĂȘncia
Banco de Filtros Doppler
âą Utilizados para separar diferentes alvosâą Melhorar a relação sinal/ ruĂdo, aumentando a
sensibilidade da deteção⹠Determinação da velocidade radial (com
ambiguidade)âą Alternativa analĂłgica ao uso de FFT
Radar â IST â A. Moreira 42
Banco de Filtros Dopplerex: filtro transversal com 8 elementos de atraso
Radar â IST â A. Moreira 43
ïżœPesosïżœ multiplicativos:
w w w w w w w w
SOMADOR
z-1 z-1 z-1z-1 z-1 z-1 z-1
[ ]Nkijik ew /)1(2 --= p
i= 1,2,3⊠N e k â[0, N-1]
Banco de Filtros Doppler
Radar â IST â A. Moreira 44
âą Consiste em N (geralmente 8) filtros transversais com coeficientes
âą Resposta impulsiva do filtro âkâ
âą Função de transferĂȘncia do filtro âkâ
)N...(,kN...,iN/k)i(j
k,i ew 1102112
-==-= p
N/k)i(jN
ipk e]T)i(t[)t(h 12
11 -
=Ă„ --= pd
)N/kfT)(i(jN
ik
pe)f(H ---
=Ă„= 12
1
p
Banco de Filtros Doppler
Radar â IST â A. Moreira 45
âą Função de transferĂȘncia
âą Um algoritmo de seleção do output de maior intensidade nos filtros contĂguos permite uma determinação da velocidade aproximada do alvo detetado.
)]N/kfT(sin[)]N/kfT(Nsin[
e)f(H
p
p
)N/kfT)(i(jN
ik
p
--
=
= ---
=Ă„
pp
p 12
1
Exemplo: N=8, filtro k=3
Radar â IST â A. Moreira 46
Radar â IST â A. Moreira 47
Processamento digital
âąA utilização de deteção em quadratura permite eliminar o problema das fases cegas, que pode ocorrer quando o desvio Doppler Ă© metade da frequĂȘncia de repetição. âą A deteção em quadratura nĂŁo foi utilizada em processadores analĂłgicos pela dificuldade em realizar linhas de atraso que garantissem desvios de fase nulos
Processamento digital MTI
Canal em quadratura
I, canal em fase
Q, canal em quadratura
LimitaçÔes do processamento MTI
Radar â IST â A. Moreira 48
⹠Modulação de scanning da antena⹠Flutuação interna do clutter
âą Instabilidades no equipamento
â Valores indicativos para a atenuação do clutterâą FrequĂȘncia do transmissorâą FrequĂȘncia dos osciladores (coho e stalo)
âą Fase do transmissor
⹠Locking de fase⹠Temporização dos impulsos
âą Largura dos impulsos
âą Amplitude dos impulsos
⹠Processamento digital⹠Erro de quantização
⹠Combinação de efeitos
2)( -tDp2)T2( -Dp22 )/(DF46 )/(DFttDt B2)( 22
ttDt B)( 22
2)A/A( D
[ ]dB.)(logI NQ 7501220 10 -»
Cancelador simples
Cancelador duplo
44
4
22
2
42
)/(128)/(8
26.072.0
pvc
pvc
BaBa
fI
fI
nI nI
spl
spl
»»
»»
duplo Cancelador simples Cancelador
N21f I1
I1
I1
I1
+++= !
Radar â IST â A. Moreira 49
MTD â âMoving Target Detectorâ
Notas: o processador MTD original foi desenhado para a banda S (2.7-2.9 GHz) com duração de impulsos de 0.6”s, 1.35Âș de largura
de feixe azimutal, wrpm de 12.8, PRF de 1040pps e potĂȘncia mĂ©dia de 875 W. Usava uma implementação FFT de um banco de filtros
Doppler, PRF alternados para eliminar velocidades cegas, limiar adaptativo (para implementar CFAR - âconstant false alarm ratioâ) e
um mapa de clutter. Cobria 47.5 mi, discretizadas em 1/16 mi e (Ÿ)Âș em azimute (~metade da largura de feixe) e analisava 10
impulsos transmitidos com o mesmo PRF. O mapa de clutter era refrescado em cada varrimento e mantinha informação acumulada de
10 a 20 varrimentos anteriores. Com este mapa era possĂvel estabelecer os limiares de deteção em cada cĂ©lula, e tambĂ©m fornecer a
informação necessåria para seguir alvos com trajetória perpendicular à linha de observação.
Processador MTD â caraterĂsticas tĂpicas
Radar â IST â A. Moreira 50
Utilização em radares ASR (Airport Surveillance Radar)
âąBanda S (2.7 â 2.9 GHz)
âą Ï ~1 ”s
⹠ΞB ~1.4Âș
âą Ïrpm ~12.5 â 15
âąPRF 700 â 1200
âąPav 400 â 600 W
Filtro clutter : cancelador de 3 impulsos (1ÂȘ geração MTD)
cancelador de 2 impulsos (2ÂȘ e 3ÂȘ geração)
Filtro Doppler: banco de (8) filtros [8 impulsos* ;1ÂȘ e 2ÂȘ geração
2 perĂodos de 8 e 10 impulsos; 3ÂȘ geração]
Algoritmos CFAR
STC (sensitive time control, 3ÂȘ geração)
(S/C)o/(S/C)i 45 dB
CĂ©lulas 1/16 mi (atĂ© 47.5 mi); (Ÿ)Âș; 365000 cĂ©lulas
PRF duplo alternado (diferem de 20%)
Filtro de velocidade 0; mapa de clutter
10 â 20 scans para estabelecer o nĂvel de clutter
Ajuste de limiar por célula
* 10 impulsos para implementar o algoritmo FFT com os filtros Doppler
Radar â IST â A. Moreira 51
ApĂłs a filtragem pelo banco de filtros Doppler os outputs sĂŁo pesados para reduzir o efeito dos âlĂłbulosâ laterais
Os outputs dos filtros sĂŁo alterados pesando 25% do output dos filtros adjacentes.
Processador MTD
Utilização de PRF duplo Ex: distinguir alvos afetado pelo âfold-overâ com dois PRF
Radar â IST â A. Moreira 52
deteção de uma aeronave numa cĂ©lula de chuva usando 2 PRFs e filtros Doppler ilustrando a visibilidade da aeronave com PRF 1 devido ao Doppler âfold-overâ sendo invisĂvel por sobreposição da chuva para PRF 2
MTI em plataforma mĂłvel AMTI â Airborne Moving Target IndicatorGMTI â Ground Moving Target Indicator
Radar â IST â A. Moreira 53
- os alvos fixos (clutter) originam efeito Doppler
-o espectro Doppler exibe alargamento
qlcosv2
fd =
qDql
D
qdl
d
ÂŽ=
=
sinv2
f
)(cosv2
)f(
d
d
qv
v cos q
AMTI â Airborne Moving Target Indicator
Radar â IST â A. Moreira 54
âą Compensação do âClutter Doppler Shiftâ
TĂ©cnica: TACCAR â âtime averaged clutter coherent airborne radarâ
⹠Compensação do alargamento do espectro
TĂ©cnica: DPCA â âdisplaced phase center antennaâ
⹠Compensação por processamento adaptativo no espaço e no tempo
TĂ©cnica: STAP â âspace-time adaptive processingâ. O melhor mĂ©todo, permite redução superior do clutter, mas mais exigente do ponto de vista do processamento
qlcosv2
fd =
qql
D sinv2f Bd =
GMTI â Ground Moving Target Indicator
Radar â IST â A. Moreira 55
Utilização de radar Doppler MTI para distinguir entre alvos mĂłveis e clutter de superfĂcie
Torna possĂvel detetar, localizar e seguir veĂculos numa grande ĂĄrea mesmo que em movimento lento Ă superfĂcie ou sobre o mar.
PulseDoppler de impulsos
⹠Os radares Doppler de impulsos podem ser de PRF médio ou de PRFmuito elevado
âą O princĂpio de funcionamento Ă© semelhante ao do processamento MTI,mas utilizando PRFâs mais elevados, com o consequente aumento deambiguidades no domĂnio da frequĂȘncia (Doppler - velocidades cegas)
âą Um radar Doppler de impulsos recebe em geral mais clutter do que umradar MTI, pelo que requer fatores de melhoria mais elevados para umfuncionamento satisfatĂłrio.
Radar â IST â A. Moreira 56
Radar Doppler de impulsos em plataforma aérea
Radar â IST â A. Moreira 57
Lobo principal
Retorno de altitudeAlvo em
observação
outras direçÔes
Radar Doppler de impulsos Ă© utilizado em plataformas aĂ©reas como, por exemplo, nos sistemas AWACS â Airborne Warning and Control Systems
Na figura ilustra-se o lobo principal, os lobos secundĂĄrios, e o retorno de clutter do solo
Radar Doppler de impulsos de PRF elevado em plataforma aérea - espectro de transmissão
Radar â IST â A. Moreira 58
Espectro de uma sequĂȘncia periĂłdica de impulsos, com prf elevado ( 1/Ï Â» fp)
âą O espectro estĂĄ centrado na frequĂȘncia do oscilador, e estĂĄ concentrado essencialmente numa banda de largura 2/Ï
âąo espectro Ă© constituĂdo por riscas separadas pela frequĂȘncia de repetição de impulsos fp
f0
fp
f0+1/tf0 -1/t
2/t
f
Radar Doppler de impulsos de PRF elevado em plataforma aérea - espectro na receção
Radar â IST â A. Moreira 59
f0 f0+fclp f0+fdf0+2v/l
f0-2v/l f0+fpf0 - fp
Retorno de altitude
Clutter do lobo principal
Retorno do alvo
Clutter dos lobos laterais
0f
clpfdf l/2v
pf
frequĂȘncia de transmissĂŁo
desvio Doppler devido ao alvo (velocidade relativa radar/ alvo)
frequĂȘncia de repetição
espalhamento do clutter dos lobos laterais
v velocidade da plataforma relativa ao solo
clutter do lobo principal
Nota: fp muito elevado permite a separação das componentes espectrais identificadas na figura