CZ02 - Ústav radioelektroniky
Download
Report
Transcript CZ02 - Ústav radioelektroniky
LRAR – Radiolokační a radionavigační systémy
TUTORIÁL 2.
Jiří Šebesta
Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně
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
Radiolokační systémy
strana 2
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
Radiolokační systémy
strana 3
LRAR-T2: Měřicí signály radarů (2/9)
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
Radiolokační systémy
strana 4
LRAR-T2: Měřicí signály radarů (3/9)
Signály pro impulsní radary
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)
Radiolokační systémy
strana 5
LRAR-T2: Měřicí signály radarů (4/9)
Signály pro impulsní radary
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)
Radiolokační systémy
strana 6
LRAR-T2: Měřicí signály radarů (5/9)
Signály pro impulsní radary
IM-MCPC – pravoúhlé pulsy s vnitropulsní fázovou modulací
s více nosnými (Multicarrier Phase-Coded Signals)
N
M
sC t Wn An,m st m 1tb e
N 1 t
j 2 n
2 tb
n 1 m 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
Radiolokační systémy
strana 7
LRAR-T2: Měřicí signály radarů (6/9)
Schéma obecné struktury MCPC
Požadována ortogonalita subnosných (OFDM) a redukce
PMEPR (Peak-to-Mean Envelope Power Ratio)
Radiolokační systémy
strana 8
LRAR-T2: Měřicí signály radarů (7/9)
Signály pro impulsní radary
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
Radiolokační systémy
strana 9
LRAR-T2: Měřicí signály radarů (8/9)
Korelační funkce
IM – pravoúhlé pulsy bez vnitropulsní modulace
Radiolokační systémy
strana 10
LRAR-T2: Měřicí signály radarů (9/9)
IM-BPM – pravoúhlé pulsy s vnitropulsní binární fázovou
modulací (kód Baker 13)
Kompresní poměr
p
s
Radiolokační systémy
strana 11
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 VTH (Threshold):
H1 – cíl je přítomen
H0 – cíl není přítomen
env VTH H1
env VTH H 0
Radiolokační systémy
strana 12
LRAR-T2: Detekce cílů (2/25)
PrD je pravděpodobnost správné detekce (rozhodnutí)
PrFA je pravděpodobnost falešného poplachu (False Alarm)
PrMD je pravděpodobnost nedetekce (Missed Detection)
PrD 1 PrMD
Radiolokační systémy
strana 13
LRAR-T2: Detekce cílů (3/25)
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
2
PrD
3
PrMD
1
3
2
PrFA
0,8%
250
Radiolokační systémy
strana 14
LRAR-T2: Detekce cílů (4/25)
Zpracování reálného radiolokačního signálu – série měření
Radiolokační systémy
strana 15
LRAR-T2: Detekce cílů (5/25)
Obálkový detektor
Přijímač superheterodyn – zpracování pásmového signálu –
popis pomocí komplexní obálky
BIF f IF
BIF
BV
2
Druhý detektor – odstranění nosného signálu a získání
modulačního signálu ozvy (komplexní obálky)
lineární vs. kvadratický
Radiolokační systémy
strana 16
LRAR-T2: Detekce cílů (6/25)
Pravděpodobnost falešného poplachu
Uvažujme na vstupu IF filtru šum s gaussovským
rozdělením hustoty pravděpodobnosti amplitudy
p
1
e
2
2 N
2 N
ν je napěťová úroveň šumu
N je střední hodnota výkonu šumu
Po průchodu obálkovým detektorem má hustota
pravděpodobnosti šumové obálky νenv rozdělení Rayleighovo:
p env
env
N
e
2
env
2 N
Radiolokační systémy
strana 17
LRAR-T2: Detekce cílů (7/25)
Pravděpodobnost toho, že hodnota obálky šumu překročí
hodnotu prahu (VTH = napěťová úroveň) je
Pr env VTH
VTH
env
N
e
2
env
2 N
d env e
2
VTH
2 N
PrFA
Tato pravděpodobnost přímo odpovídá pravděpodobnosti
falešného poplachu
V praxi je problematické měřit hustotu pravděpodobnosti
Lépe se určuje tzv. střední doba mezi falešnými poplachy (FalseAlarm Time):
1 N
TFA lim
Tk
N N
k 1
Radiolokační systémy
strana 18
LRAR-T2: Detekce cílů (8/25)
Tk jsou jednotlivé naměřené doby mezi falešnými poplachy
tk jsou naměřené doby trvání falešných poplachů
Radiolokační systémy
strana 19
LRAR-T2: Detekce cílů (9/25)
pak pravděpodobnost falešného poplachu
K
t
k
_
tk
1
PrFA
_
TFA B
T
T
k k
k 1
K
k 1
B je šířka pásma IF zesilovače radaru
a střední dobu mezi falešnými poplachy lze vyjádřit
1
TFA e
B
2
VTH
2 N
Radiolokační systémy
strana 20
LRAR-T2: Detekce cílů (10/25)
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.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------
N[ dB] N0[ dB] 10 log B 150 10 log 10 106 150 70 80dBm
N[W ] 10
N[ dBm] 30
10
10
8030
10
10 pW
VTH 2 N ln PrFA 2 10 1012 ln 0,0005 12,3V
TFA
1
1
200s
6
B PrFA 10 10 0,0005
Radiolokační systémy
strana 21
LRAR-T2: Detekce cílů (11/25)
Pravděpodobnost falešného poplachu pro decibelový poměr mezi
prahem a střední hodnotou výkonu šumu
TNR[ dB]
LTH [ dBW ]
2 N[ dBW ]
VTH2 [V ]
10 log
2 N
[W ]
platí
PrFA e
TNR[ dB]
10 10
Dvojka u výkonu šumu je dána dvoustrannou spektrální hustotou
výkonu šumu
Radiolokační systémy
strana 22
LRAR-T2: Detekce cílů (12/25)
Závislost pravděpodobnosti falešného poplachu na decibelovém
poměru mezi prahem a střední hodnotou výkonu šumu
Radiolokační systémy
strana 23
LRAR-T2: Detekce cílů (13/25)
Závislost pravděpodobnosti střední doby mezi falešnými poplachy
na TNR a B
Radiolokační systémy
strana 24
LRAR-T2: Detekce cílů (14/25)
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
p env
env
N
e
2
2
env
A
2 N
env A
I0
N
I0 je modifikovaná Besselova funkce 1. druhu nultého řádu
1
I 0 x
2
x
e
1
xcos t
e
dt
1
...
2 x 8 x
Radiolokační systémy
strana 25
LRAR-T2: Detekce cílů (15/25)
Pravděpodobnost toho, že hodnota obálky signálu se šumem
překročí hodnotu prahu (VTH = napěťová úroveň) je
Pr env VTH
p d
env
env
VTH
VTH
env
N
e
2
2
env
A
2 N
env A
I0
d env PrD
N
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 S
N
0,12 1,7
Radiolokační systémy
strana 26
LRAR-T2: Detekce cílů (16/25)
kde
0,62
ln
PrFA
PrD
ln
1 PrD
Radiolokační systémy
strana 27
LRAR-T2: Detekce cílů (17/25)
Rayleighovo vs. Riceovo rozdělení
Radiolokační systémy
strana 28
LRAR-T2: Detekce cílů (18/25)
Příklad 13:
---------------------------------------------------------------------------------------------------------Pro systém z příkladu 12 určete potřebný poměr signál ku šumu pro zajištění 95%
pravděpodobnosti detekce cíle.
----------------------------------------------------------------------------------------------------------
0,62
ln
7,12
0,0005
0,95
ln
2,94
1 0,95
S
0,12 1,7 7,12 0,12 7,12 2,94 1,7 2,94 14,6
N
S
S
[dB] 10 log [] 10 log 14,6 11,7dB
N
N
Radiolokační systémy
strana 29
LRAR-T2: Detekce cílů (19/25)
Detekční kritéria – metody určení prahu
Maximalizace pravděpodobnosti detekce pro požadovanou
pravděpodobnost falešného poplachu
Neyman-Pearsonův teorém
V
Pr | H1
Pr | H 0
PrFA PrV VTH ; H 0
Metody CFAR (Continuous False Alarm Radar)
Automatické nastavení prahu tak, aby PrFA = konstantě
Radiolokační systémy
strana 30
LRAR-T2: Detekce cílů (20/25)
Optimální detektor = max. poměr S/N pro předpokládaný tvar
pulzu ozvy
Aplikace přizpůsobeného filtru
Výstupní signál za přizp. filtrem:
sOUT t hMF t sIN t
Ve frekvenční oblasti
SOUT H MF S IN
hMF(t) je impulsní odezva přizpůsobeného filtru
Radiolokační systémy
strana 31
LRAR-T2: Detekce cílů (21/25)
HMF() je frekvenční odezva přizpůsobeného filtru
Přizpůsobený filtr (Matched Filter) lze popsat
Tz t
hMF t A sTX
H MF A S
TX
e
jTZ
A je zisk filtru (libovolný)
Tz je časové zpoždění filtru (libovolné)
Lze realizovat FIR strukturou
Radiolokační systémy
strana 32
LRAR-T2: Detekce cílů (22/25)
Za přizpůsobeným filtrem získáme signál
SOUT H MF S IN A e
jTz
Sin
2
sOUT t hMF t s IN t A R(t TZ )
R(·) je autokorelační funkce impulsního signálu
Bude-li mít vstupní signál (ozva) tvar
sIN t a sTX (t Tdelay )
a je amplituda ozvy na vstupu
Tdelay je zpoždění signálu vyslaného signálu sTX
Radiolokační systémy
strana 33
LRAR-T2: Detekce cílů (23/25)
Za přizpůsobeným filtrem získáme signál (neuvažujeme ad.
šum)
sOUT t a A RTX (t TZ Tdelay )
RTX(·) je autokorelační funkce vyslaného impulsního signálu
(IM-LFM)
Radiolokační systémy
strana 34
LRAR-T2: Detekce cílů (24/25)
Pro určení šikmé dálky cíle je třeba hledat maximum signálu
za detektorem
td
Radiolokační systémy
t1 t 2
TZ Tdelay
2
strana 35
LRAR-T2: Detekce cílů (25/25)
Autokorelační funkce vysílacího pulsu a příslušně nastavený
práh má zásadní vliv na rozlišení v šikmé dálce
Radiolokační systémy
strana 36
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):
sIN t a sTX (t Tdelay ) e
j2 f d t
fd je dopplerovský frekvenční posuv
Za přizpůsobeným filtrem získáme signál
sOUT t a A RTX (t TZ Tdelay , e j2 f d t ) a A RTX (t , e j2 f d t )
Radiolokační systémy
strana 37
LRAR-T2: Efekty pohyblivých cílů (2/3)
Po vyjádření korelace mezi vstupním signálem a impulsní
charakteristikou přizpůsobeného filtru
*
t sIN (t ) e j2 fd t dt
sOUT a A sTX
je celkové zpoždění signálu (vysílač-cíl-přijímač-přizp. filtr)
Vliv dopplerovského efektu na výsledný signál za
přizpůsobeným filtrem (bez uvažování aditivního šumu)
Radiolokační systémy
strana 38
LRAR-T2: Efekty pohyblivých cílů (3/3)
Vliv dopplerovského posuvu spektra na tvar pulsu za MF (IMLFM signál)
Radiolokační systémy
strana 39
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)
Radiolokační systémy
strana 40
LRAR-T2: Funkce neurčitosti (2/6)
Funkci neurčitosti (Ambiguity Function) je tedy autokorelační
funkcí vysílaného signálu (impulzu) pro rozsah sledovaných
časových zpoždění a rozsah dopplerovských posuvů
*
t sTX (t ) e j 2f t dt
, f D sTX
D
Ve frekvenční oblasti
*
f STX ( f f D ) e
, f D STX
j 2f
df
Pro výpočet velkého rozsahu parametrů se využívá metod práce
se řídkými maticemi
Radiolokační systémy
strana 41
LRAR-T2: Funkce neurčitosti (3/6)
Funkce neurčitosti pro pravoúhlý puls
Radiolokační systémy
strana 42
LRAR-T2: Funkce neurčitosti (4/6)
Funkce neurčitosti pro IM-LFM
Radiolokační systémy
strana 43
LRAR-T2: Funkce neurčitosti (5/6)
Funkce neurčitosti pro váhovaný IM-LFM
Radiolokační systémy
strana 44
LRAR-T2: Funkce neurčitosti (6/6)
Funkce neurčitosti pro váhovaný IM-BPM (Barker 13)
Radiolokační systémy
strana 45
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
Radiolokační systémy
strana 46
LRAR-T2: Metody IPC (2/3)
Blokové schéma IPC pulsního radaru
Metoda AMTI = Adaptive MTI – obsahuje dvě pásmové zádrže
pro potlačení závoje od země
adaptivní pro potlačení závoje od meteoútvarů
Radiolokační systémy
strana 47
LRAR-T2: Metody IPC (3/3)
Metoda MTD (Moving Target Detection) – obsahuje banku filtrů
pro jednotlivá pásma odpovídající Dopplerově posuvu pro daný
rozsah radiální rychlosti cílů
Blokové schéma MTD pulsního radaru
Radiolokační systémy
strana 48
LRAR-T2: Syntetická apertura (1/3)
Princip
SAR =
Synthetic
Aperture Radar
Podstatné
zvětšení
rozlišení
radarového
zobrazení
Radiolokační systémy
strana 49
LRAR-T2: Syntetická apertura (2/5)
Vytváří se umělá anténní řada ve směru pohybu radaru (na
letadle nebo družici)
Radiolokační systémy
strana 50
LRAR-T2: Syntetická apertura (3/5)
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
Radiolokační systémy
strana 51
LRAR-T2: Syntetická apertura (4/5)
Doba apertury (Aperture Time) definuje čas pro získání sady
záznamů pro postprocessingový beamforming
Radiolokační systémy
strana 52
LRAR-T2: Syntetická apertura (5/5)
Signál na n-té pozici antény
rn t A e
2
j t R nd sin
c
Celkový signál ze všech pozic a
pro svazek ve směru měřeného
bodu:
Vzdálenost k měřenému bodu
od jednotlivých pozic antén:
Rn R n d sin
r t
M
r t A e
n M
e jt e
Radiolokační systémy
M
n
2
j t R nd sin
c
n M
sin 2 M 1d sin
R
1
c
j 4
2 M 1
sin d sin
c
strana 53
LRAR-T2: Multistatický radar (1/4)
Monostatický radar – jeden RX/TX systém
Bistatický radar – vysílač a přijímač rozdělen
Radiolokační systémy
strana 54
LRAR-T2: Multistatický radar (2/4)
Multistatický radar – více TX (může to být i nezávislý systém) a
více RX
Radiolokační systémy
strana 55
LRAR-T2: Multistatický radar (3/4)
Pasivní systém – např. řízená střela
Radiolokační systémy
strana 56
LRAR-T2: Multistatický radar (4/4)
Radarová rovnice – výsledkem Cassiniho ovál konstantních SNR
b RT RR
Radiolokační systémy
strana 57
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
Radiolokační systémy
strana 58
LRAR-T2: Sekundární radar (2/8)
Dvousvazkový anténní systém dotazovače
Měření azimutu
Odpovědi pouze od odpovídačů v daném azimutálním směru
Radiolokační systémy
strana 59
LRAR-T2: Sekundární radar (3/8)
Mód „A“ = ID odpovídače, resp. číslo letu
Radiolokační systémy
strana 60
LRAR-T2: Sekundární radar (4/8)
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
Radiolokační systémy
strana 61
LRAR-T2: Sekundární radar (5/8)
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.
Radiolokační systémy
strana 62
LRAR-T2: Sekundární radar (6/8)
Odpověď v módu „C“
Radiolokační systémy
strana 63
LRAR-T2: Sekundární radar (7/8)
Mód S (Adresný nebo všeobecný dotaz)
Z módu S se vyvinul systém ADS-B (Automatic dependent
surveillance-broadcast)
Radiolokační systémy
strana 64
LRAR-T2: Sekundární radar (8/8)
ADS-B
DF – zdroj dat
AA – aircraft address
ME – parametry (poloha
z GPS, rychlost, výška z
výškoměru)
Radiolokační systémy
strana 65
LRAR-T2: Pasivní radar (1/6)
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
Radiolokační systémy
strana 66
LRAR-T2: Pasivní radar (2/6)
Více TX (nezávislé – např. TV vysílač) + jeden RX
PCL systémy = Passive
Coherent Location
Radiolokační systémy
strana 67
LRAR-T2: Pasivní radar (3/6)
Jeden TX (nepřítel) + více RX (inverzní princip k GPS)
Radiolokační systémy
strana 68
LRAR-T2: Pasivní radar (4/6)
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.
Radiolokační systémy
strana 69
LRAR-T2: Pasivní radar (5/6)
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).
Radiolokační systémy
strana 70
LRAR-T2: Pasivní radar (6/6)
Mobilní RX stanice VERA
Radiolokační systémy
strana 71
Děkuji za vaši pozornost
MTD zpracování rychlosti větru – meteoradar Skalky
Radiolokační systémy
strana 72