tutori Ál 2

TUTORIÁL 2.

LRAR – Radiolokační a radionavigační systémy

Jiří ŠebestaÚstav radioelektroniky FEKT VUT v Brně

Radiolokační systémy strana 2

LRAR: TUTORIÁL 2 - TÉMATA

Měřicí signály radarů Principy detekce cílů Efekty pohyblivých cílů Funkce neurčitosti Metody IPC (indikace pohyblivých cílů) Metoda SAR (syntetická apertura) Multistatický radar Sekundární radar Pasivní radary


LRAR-T2: Měřicí signály radarů (1/9)

Signály pro kontinuální radary

CW (Continuous Wave) – trvalá nosná = dopplerovské zpracování

FM-CW – frekvenční rozmítání (po částech lineární modulační signál – pilovitý průběh

CW-CM – trvalá nosná s fázovou modulací s PRN



Signály pro impulsní radary

IM – pravoúhlé pulsy bez vnitropulsní modulace

IM-LFM – pravoúhlé pulsy s vnitropulsní lineární frekvenční modulací

IM-AWLFM – pulsy s vnitropulsní lineární frekvenční modulací a amplitudovým váhováním




IM-NFM – pravoúhlé pulsy s vnitropulsní nelineární frekvenční modulací (Nonlinear Frequency Modulation)

IM-SFM – pravoúhlé pulsy s vnitropulsní modulací s frekvenčními skoky (Step Frequency Modulation)




IM-BPM – pravoúhlé pulsy s vnitropulsní binární fázovou modulací (Bakerovy kódy s minimální úrovní autokorelačních postranních laloků)

IM-PPM – pravoúhlé pulsy s vnitropulsní polyfázovou modulací (Frankovy kódy, Px-kódy, Zadoff-Chu kódy)




IM-MCPC – pravoúhlé pulsy s vnitropulsní fázovou modulací s více nosnými (Multicarrier Phase-Coded Signals)

N

n

ttNnjM

mbmnnC

betmtsAWts1

212

1, 1

Wn je komplexní váha n-té nosné

An,m je m-tý element modulační sekvence n-té nosné | An,m | = 1

s(t) = 1 pro 0 ≤ t < tb



Schéma obecné struktury MCPC

Požadována ortogonalita subnosných (OFDM) a redukce PMEPR (Peak-to-Mean Envelope Power Ratio)




Koherentní vs. nekoherentní IM signály

Koherentní signál = v každém pulsu shodná počáteční fáze

Systémově se koherence zajišťuje pomocí společných oscilátorů pro vysílání a příjem

COHO (Coherent Oscillator) – oscilátor pro synchronní modulaci a detekci

STALO (Stable Local Oscillator) – společný vysoce stabilní lokální oscilátor pro směšovač v přijímači i ve vysílači



Korelační funkce

IM – pravoúhlé pulsy bez vnitropulsní modulace



IM-BPM – pravoúhlé pulsy s vnitropulsní binární fázovou modulací (kód Baker 13)

s

p

Kompresní poměr


LRAR-T2: Detekce cílů (1/25)

Detekce cílů je proces rozhodování o přítomnosti nebo nepřítomnosti cíle na základě přijatého signálu νenv(t) pro každou rozlišovací buňku = řešení binární hypotézy na základě vhodně zvoleného prahu VVTHTH (Threshold):

H1 – cíl je přítomen

H0 – cíl není přítomen

1HVTHenv

0HVTHenv



PrD je pravděpodobnost správné detekce (rozhodnutí)

PrFA je pravděpodobnost falešného poplachu (False Alarm)

PrMD je pravděpodobnost nedetekce (Missed Detection)

MDD Pr1Pr



Zpracování reálného radiolokačního signálu – jedno měření Pin(r) je vstupní

výkon signálu odpovídající času měření pro rozlišovací buňku ve vzdálenosti r

Rozlišovací buňka je 1km

%8,02502Pr FA

31Pr MD3

2Pr D



Zpracování reálného radiolokačního signálu – série měření



Obálkový detektor

IFIF fB 2IF

VBB

Přijímač superheterodyn – zpracování pásmového signálu – popis pomocí komplexní obálky

Druhý detektor – odstranění nosného signálu a získání modulačního signálu ozvy (komplexní obálky)

lineární vs. kvadratický



Pravděpodobnost falešného poplachu

Uvažujme na vstupu IF filtru šum s gaussovským rozdělením hustoty pravděpodobnosti amplitudy

Nenvenv

env

eN

p 2

2

ν je napěťová úroveň šumu

N je střední hodnota výkonu šumu Po průchodu obálkovým detektorem má hustota pravděpodobnosti šumové obálky νenv rozdělení Rayleighovo:

Ne

Np 2

2

21



Pravděpodobnost toho, že hodnota obálky šumu překročí hodnotu prahu (VTH = napěťová úroveň) je

FAN

V

Venv

NenvTHenv

TH

TH

env

edeN

V PrPr 22

22

Tato pravděpodobnost přímo odpovídá pravděpodobnosti falešného poplachu

V praxi je problematické měřit hustotu pravděpodobnosti

Lépe se určuje tzv. střední doba mezi falešnými poplachy (False-Alarm Time):

N

kkNFA T

NT

1

1lim



Tk jsou jednotlivé naměřené doby mezi falešnými poplachy

tk jsou naměřené doby trvání falešných poplachů



BTT

t

T

t

FAk

kK

kk

K

kk

FA

1Pr _

_

1

1

pak pravděpodobnost falešného poplachu

B je šířka pásma IF zesilovače radaru

a střední dobu mezi falešnými poplachy lze vyjádřit

NV

FA

TH

eB

T 2

2

1



Příklad 12:----------------------------------------------------------------------------------------------------------Na jakou napěťovou úroveň je třeba nastavit práh pro radar se šířkou pásma 10 MHz, je-li spektrální hustota šumu na vstupu rozhodovacího obvodu -150 dBm/Hz a požadovaná pravděpodobnost falešného poplachu je 0,05%? Určete rovněž střední dobu mezi falešnými poplachy.----------------------------------------------------------------------------------------------------------

dBmBNN dBdB 80701501010log10150log10 6][0][

pWNdBmN

W 101010 103080

1030

][

][

VNV FATH 3,120005,0ln10102Prln2 12

sB

TFA

FA 2000005,01010

1Pr1

6



Pravděpodobnost falešného poplachu pro decibelový poměr mezi prahem a střední hodnotou výkonu šumu

10][

10PrdBTNR

eFA

platí

][

2][

][

][][ 2

log102 W

VTH

dBW

dBWTHdB N

VN

LTNR

Dvojka u výkonu šumu je dána dvoustrannou spektrální hustotou výkonu šumu



Závislost pravděpodobnosti falešného poplachu na decibelovém poměru mezi prahem a střední hodnotou výkonu šumu



Závislost pravděpodobnosti střední doby mezi falešnými poplachy na TNR a B



Pravděpodobnost detekce

Uvažujme-li na vstupu IF filtru sinusový signál ozvy s amplitudou A současně se šumem s gaussovským rozdělením hustoty pravděpodobnosti amplitudy, pak na výstupu obálkového detektoru bude mít amplituda signálu se šumem s Riceovo rozdělení

I0 je modifikovaná Besselova funkce 1. druhu nultého řádu

NAIe

Np envN

A

envenv

env

02

22

...811

221 cos

0 xxedtexIx

tx



Pravděpodobnost toho, že hodnota obálky signálu se šumem překročí hodnotu prahu (VTH = napěťová úroveň) je

DV

envenvN

A

env

VenvenvTHenv

TH

env

TH

dNAIe

NdpV PrPr 0

2

22

Tato pravděpodobnost přímo odpovídá pravděpodobnosti detekce

V praxi je komplikované tuto pravděpodobnost určit

Proto se v praxi se určuje potřebný poměr S/N pro signál ozvy pro danou pravděpodobnost falešného poplachu a pravděpodobnost detekce pomocí zjednodušujících Albersheimovy rovnice

7,112,0NS



kde

FAPr62,0ln

D

D

Pr1Prln



Rayleighovo vs. Riceovo rozdělení



Příklad 13:----------------------------------------------------------------------------------------------------------Pro systém z příkladu 12 určete potřebný poměr signál ku šumu pro zajištění 95% pravděpodobnosti detekce cíle.---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12,7

0005,062,0ln

94,295,01

95,0ln

6,1494,27,194,212,712,012,77,112,0 NS

dBNSdB

NS 7,116,14log10][log10][



Detekční kritéria – metody určení prahu

Maximalizace pravděpodobnosti detekce pro požadovanou pravděpodobnost falešného poplachu

Neyman-Pearsonův teorém

0

1

|Pr|PrHHV

0;PrPr HVV THFA

Metody CFAR (Continuous False Alarm Radar)

Automatické nastavení prahu tak, aby PrFA = konstantě



Optimální detektor = max. poměr S/N pro předpokládaný tvar pulzu ozvy

Aplikace přizpůsobeného filtru

Výstupní signál za přizp. filtrem:

tsthts INMFOUT

Ve frekvenční oblasti

INMFOUT SHS

hMF(t) je impulsní odezva přizpůsobeného filtru



HMF() je frekvenční odezva přizpůsobeného filtru

Přizpůsobený filtr (Matched Filter) lze popsat

ZTjTXMF eSAH

tTsAth zTXMF

A je zisk filtru (libovolný)

Tz je časové zpoždění filtru (libovolné)

Lze realizovat FIR strukturou



Za přizpůsobeným filtrem získáme signál

R(·) je autokorelační funkce impulsního signálu

Bude-li mít vstupní signál (ozva) tvar

2 in

TjINMFOUT SeASHS z

)( ZINMFOUT TtRAtsthts

)( delayTXIN Ttsats

a je amplituda ozvy na vstupu

Tdelay je zpoždění signálu vyslaného signálu sTX



Za přizpůsobeným filtrem získáme signál (neuvažujeme ad. šum)

RTX(·) je autokorelační funkce vyslaného impulsního signálu (IM-LFM)

)( delayZTXOUT TTtRAats



Pro určení šikmé dálky cíle je třeba hledat maximum signálu za detektorem

delayZd TTttt

2

21



Autokorelační funkce vysílacího pulsu a příslušně nastavený práh má zásadní vliv na rozlišení v šikmé dálce


LRAR-T2: Efekty pohyblivých cílů (1/3)

Při pohybu cíle vůči radaru je signál ozvy postižen Dopplerovým efektem – frekvenční extrakce či dilatace spektra vyslaného pulsu

Výstupní signál za směšovačem (1. detektorem) radaru můžeme popsat (neuvažujeme ad. šum):

tfjdelayTXIN

deTtsats 2)(

fd je dopplerovský frekvenční posuv

Za přizpůsobeným filtrem získáme signál

),(),( 22 tfjTX

tfjdelayZTXOUT

dd etRAaeTTtRAats



Po vyjádření korelace mezi vstupním signálem a impulsní charakteristikou přizpůsobeného filtru

je celkové zpoždění signálu (vysílač-cíl-přijímač-přizp. filtr)

dtetstsAas tfjINTXOUT

d

2* )(

Vliv dopplerovského efektu na výsledný signál za přizpůsobeným filtrem (bez uvažování aditivního šumu)



Vliv dopplerovského posuvu spektra na tvar pulsu za MF (IM-LFM signál)


LRAR-T2: Funkce neurčitosti (1/6)

Určované parametry cíle (od primárního radaru):

Azimut – nezávislé měření (směrové vlastnosti antény)

Elevace – nezávislé měření (směrové vlastnosti antény)

Šikmá dálka – závislé na vlastnostech signálu za detektorem

Radiální rychlost – závislé na vlastnostech signálu za detektorem

Signál za přizpůsobeným filtrem je závislý jak na zpoždění odrazu, tak i na dopplerovském posuvu, pak vzniká neurčitost, kterou lze popsat v časové oblasti (autokorelační funkce, kde se vyskytuje zpoždění signálu i Dopplerova frekvence)



Ve frekvenční oblasti

dtetstsf tfjTXTXD

D 2* )(,

dfeffSfSf fjDTXTXD

2* )(,

Pro výpočet velkého rozsahu parametrů se využívá metod práce se řídkými maticemi

Funkci neurčitosti (Ambiguity Function) je tedy autokorelační funkcí vysílaného signálu (impulzu) pro rozsah sledovaných časových zpoždění a rozsah dopplerovských posuvů



Funkce neurčitosti pro pravoúhlý puls



Funkce neurčitosti pro IM-LFM



Funkce neurčitosti pro váhovaný IM-LFM



Funkce neurčitosti pro váhovaný IM-BPM (Barker 13)


LRAR-T2: Metody IPC (1/3)

Metody IPC = indikace pohyblivých cílů (MTI = Moving Target Indication) jsou určeny k potlačení závojů (Cluters) od pevných cílů nebo cílů se specifickým dopplerovským efektem (vlny na mořské hladině, kmitající listí ve větru)

Metody IPC = dopplerovské zpracování

Využívá se toho, že pro dva po sobě jsoucí koherentní impulsy se pro pohyblivý cíl mění fáze, kdežto pro pevný ne



Blokové schéma IPC pulsního radaru

Metoda AMTI = Adaptive MTI – obsahuje dvě pásmové zádrže

pro potlačení závoje od země

adaptivní pro potlačení závoje od meteoútvarů



Blokové schéma MTD pulsního radaru

Metoda MTD (Moving Target Detection) – obsahuje banku filtrů pro jednotlivá pásma odpovídající Dopplerově posuvu pro daný rozsah radiální rychlosti cílů


LRAR-T2: Syntetická apertura (1/3)

Princip SAR =

Synthetic Aperture Radar

Podstatné zvětšení rozlišení radarového zobrazení



Vytváří se umělá anténní řada ve směru pohybu radaru (na letadle nebo družici)



Jednotlivá měření (odezvy na pulsní signál vysílače) se uloží do paměti a při vyhodnocení se aplikuje součet signálů s váhováním (fázové) k vytvoření umělého úzkého svazku



Doba apertury (Aperture Time) definuje čas pro získání sady záznamů pro postprocessingový beamforming



Vzdálenost k měřenému bodu od jednotlivých pozic antén:

sin dnRRn

sin2 ndR

ctj

n eAtr

cd

cdM

MRj

tj

M

Mn

ndRc

tjM

Mnn

ee

eAtrtr

sinsin

sin12sin

1214

sin2

Signál na n-té pozici antény

Celkový signál ze všech pozic a pro svazek ve směru měřeného bodu:


Monostatický radar – jeden RX/TX systém

Bistatický radar – vysílač a přijímač rozdělen

LRAR-T2: Multistatický radar (1/4)



Multistatický radar – více TX (může to být i nezávislý systém) a více RX



Pasivní systém – např. řízená střela



Radarová rovnice – výsledkem Cassiniho ovál konstantních SNR

RT RRb


LRAR-T2: Sekundární radar (1/8) SSR (Secondary Surveillance Radar)

Aplikace v ATC, pozemní systém je dotazovačem (Interrogator) , palubní systém automatickým odpovídačem (Transponder), vojenské módy IFF (Identification Friend – Foe)

Odpovědi obsahují základní identifikační údaje a aktuální měřené letové parametry

IM modulace

Uplink 1030 MHz, vert. polarizace

Downlink 1090 MHz, vert. polarizace


LRAR-T2: Sekundární radar (2/8) Dvousvazkový anténní systém dotazovače

Měření azimutu

Odpovědi pouze od odpovídačů v daném azimutálním směru


LRAR-T2: Sekundární radar (3/8)

Mód „A“ = ID odpovídače, resp. číslo letu



Odpověď v módu „A“

Číslo letu tvoří čtyři oktalové cifry (00008 – 77778 , tj. 4096 kombinací – pro lety nad Evropou přidělováno Eurocontrolem

Speciální kódy:

75008 - únos

76008 – ztráta spojení

77008 - nouze



SPI (Special Pilot Identification) – aktivuje pilot na 20 s po žádosti řídícího ATC

Mód „C“ = barometrická výška letadla

Barometrické měření ve stovkách stop s korekcí

Hodnota kódována tzv. Gillhamovým kódem

Rozsah -1000 až 126750 ft.


Odpověď v módu „C“




Mód S (Adresný nebo všeobecný dotaz)

Z módu S se vyvinul systém ADS-B (Automatic dependent surveillance-broadcast)



ADS-B

DF – zdroj dat AA – aircraft address ME – parametry (poloha

z GPS, rychlost, výška z výškoměru)


Založen na multistatickém přístupu

Směroměrný systém (Kopáč, Borap) – měření směru příchodu signálu z min. dvou stanic – interferometrické metody měření – anténní pole

Časoměrný systém (Tamara, Vera)

TDOA – (Time Difference of Arrival) – měření časového rozdílu příchodu signálu – více TX + jeden RX nebo jeden TX + více RX nebo více TX + více RX

LRAR-T2: Pasivní radar (1/6)



Více TX (nezávislé – např. TV vysílač) + jeden RX

PCL systémy = Passive Coherent Location



Jeden TX (nepřítel) + více RX (inverzní princip k GPS)



VERA

Dosah systému je 400 až 500km v úhlovém sektoru větším než 120°C.

Typické rozmístění bočních stanic je 15 až 40 km od centrální stanice.

Ověřená stacionární přesnost měření ve vzdálenosti kolem 100 km je u systému VĚRA řádově desítky metrů a prostorově závisí na poloze letounu.

Přesnost určení barometrické výšky je 30m. Nynější programové vybavení umožňuje

sledovat až 300 letounů současně.



VĚRA-A Dokáže pokrýt celé území ČR. Určena pouze pro sledování provozu pro civilní

účely Komunikace mezi stanicemi není

širokopásmová (pracuje na f = 1090 MHz).VĚRA-S/M Na rozdíl od verze A dokáže díky analýze

přijímaného signálu určit typ objektu a jeho funkční režim.

Komunikace mezi stanicemi je širokopásmová (f = 1 GHz až 18 GHz).



Mobilní RX stanice VERA


Děkuji za vaši pozornostMTD zpracování rychlosti větru – meteoradar Skalky

tutori Ál 2

Documents