Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

TUTORIÁL 2. LRAR – Radiolokační a radionavigační systémy Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "TUTORIÁL 2. LRAR – Radiolokační a radionavigační systémy Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně."— Transkript prezentace:

1 TUTORIÁL 2. LRAR – Radiolokační a radionavigační systémy Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně

2 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

3 Radiolokační systémy strana 3 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

4 Radiolokační systémy strana 4 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

5 Radiolokační systémy strana 5 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)

6 Radiolokační systémy strana 6 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)

7 Radiolokační systémy strana 7 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)  W n je komplexní váha n-té nosné  A n,m je m-tý element modulační sekvence n-té nosné | A n,m | = 1  s(t) = 1 pro 0 ≤ t < t b

8 Radiolokační systémy strana 8 LRAR-T2: Měřicí signály radarů (6/9)  Schéma obecné struktury MCPC  Požadována ortogonalita subnosných (OFDM) a redukce PMEPR (Peak-to-Mean Envelope Power Ratio)

9 Radiolokační systémy strana 9 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

10 Radiolokační systémy strana 10 LRAR-T2: Měřicí signály radarů (8/9)  Korelační funkce  IM – pravoúhlé pulsy bez vnitropulsní modulace

11 Radiolokační systémy strana 11 LRAR-T2: Měřicí signály radarů (9/9)  IM-BPM – pravoúhlé pulsy s vnitropulsní binární fázovou modulací (kód Baker 13)  Kompresní poměr

12 Radiolokační systémy strana 12 LRAR-T2: Detekce cílů (1/25) V TH  Detekce cílů je proces rozhodování o přítomnosti nebo nepřítomnosti cíle na základě přijatého signálu ν env (t) pro každou rozlišovací buňku = řešení binární hypotézy na základě vhodně zvoleného prahu V TH (Threshold): H 1 – cíl je přítomen H 0 – cíl není přítomen

13 Radiolokační systémy strana 13 LRAR-T2: Detekce cílů (2/25)  Pr D je pravděpodobnost správné detekce (rozhodnutí)  Pr FA je pravděpodobnost falešného poplachu (False Alarm)  Pr MD je pravděpodobnost nedetekce (Missed Detection)

14 Radiolokační systémy strana 14 LRAR-T2: Detekce cílů (3/25)  Zpracování reálného radiolokačního signálu – jedno měření  P in (r) je vstupní výkon signálu odpovídající času měření pro rozlišovací buňku ve vzdálenosti r  Rozlišovací buňka je 1km

15 Radiolokační systémy strana 15 LRAR-T2: Detekce cílů (4/25)  Zpracování reálného radiolokačního signálu – série měření

16 Radiolokační systémy strana 16 LRAR-T2: Detekce cílů (5/25)  Obálkový detektor  Přijímač superheterodyn – zpracování pásmového signálu – popis pomocí komplexní obálky  Druhý detektor – odstranění nosného signálu a získání modulačního signálu ozvy (komplexní obálky)  lineární vs. kvadratický

17 Radiolokační systémy strana 17 LRAR-T2: Detekce cílů (6/25)  Pravděpodobnost falešného poplachu  Uvažujme na vstupu IF filtru šum s gaussovským rozdělením hustoty pravděpodobnosti amplitudy  ν je napěťová úroveň šumu  N je střední hodnota výkonu šumu  Po průchodu obálkovým detektorem má hustota pravděpodobnosti šumové obálky ν env rozdělení Rayleighovo:

18 Radiolokační systémy strana 18 LRAR-T2: Detekce cílů (7/25)  Pravděpodobnost toho, že hodnota obálky šumu překročí hodnotu prahu (V TH = napěťová úroveň) je  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):

19 Radiolokační systémy strana 19 LRAR-T2: Detekce cílů (8/25)  T k jsou jednotlivé naměřené doby mezi falešnými poplachy  t k jsou naměřené doby trvání falešných poplachů

20 Radiolokační systémy strana 20 LRAR-T2: Detekce cílů (9/25)  pak pravděpodobnost falešného poplachu  B je šířka pásma IF zesilovače radaru  a střední dobu mezi falešnými poplachy lze vyjádřit

21 Radiolokační systémy strana 21 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

22 Radiolokační systémy strana 22 LRAR-T2: Detekce cílů (11/25)  Pravděpodobnost falešného poplachu pro decibelový poměr mezi prahem a střední hodnotou výkonu šumu platí  Dvojka u výkonu šumu je dána dvoustrannou spektrální hustotou výkonu šumu

23 Radiolokační systémy strana 23 LRAR-T2: Detekce cílů (12/25)  Závislost pravděpodobnosti falešného poplachu na decibelovém poměru mezi prahem a střední hodnotou výkonu šumu

24 Radiolokační systémy strana 24 LRAR-T2: Detekce cílů (13/25)  Závislost pravděpodobnosti střední doby mezi falešnými poplachy na TNR a B

25 Radiolokační systémy strana 25 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  I 0 je modifikovaná Besselova funkce 1. druhu nultého řádu

26 Radiolokační systémy strana 26 LRAR-T2: Detekce cílů (15/25)  Pravděpodobnost toho, že hodnota obálky signálu se šumem překročí hodnotu prahu (V TH = napěťová úroveň) je  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

27 Radiolokační systémy strana 27 LRAR-T2: Detekce cílů (16/25) kde

28 Radiolokační systémy strana 28 LRAR-T2: Detekce cílů (17/25)  Rayleighovo vs. Riceovo rozdělení

29 Radiolokační systémy strana 29 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

30 Radiolokační systémy strana 30 LRAR-T2: Detekce cílů (19/25)  Detekční kritéria – metody určení prahu  Maximalizace pravděpodobnosti detekce pro požadovanou pravděpodobnost falešného poplachu  Neyman-Pearsonův teorém  Metody CFAR (Continuous False Alarm Radar)  Automatické nastavení prahu tak, aby Pr FA = konstantě

31 Radiolokační systémy strana 31 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:  Ve frekvenční oblasti  h MF (t) je impulsní odezva přizpůsobeného filtru

32 Radiolokační systémy strana 32 LRAR-T2: Detekce cílů (21/25)  H MF (  ) je frekvenční odezva přizpůsobeného filtru  Přizpůsobený filtr (Matched Filter) lze popsat  A je zisk filtru (libovolný)  T z je časové zpoždění filtru (libovolné)  Lze realizovat FIR strukturou

33 Radiolokační systémy strana 33 LRAR-T2: Detekce cílů (22/25)  Za přizpůsobeným filtrem získáme signál  R(·) je autokorelační funkce impulsního signálu  Bude-li mít vstupní signál (ozva) tvar  a je amplituda ozvy na vstupu  T delay je zpoždění signálu vyslaného signálu s TX

34 Radiolokační systémy strana 34 LRAR-T2: Detekce cílů (23/25)  Za přizpůsobeným filtrem získáme signál (neuvažujeme ad. šum)  R TX (·) je autokorelační funkce vyslaného impulsního signálu (IM-LFM)

35 Radiolokační systémy strana 35 LRAR-T2: Detekce cílů (24/25)  Pro určení šikmé dálky cíle je třeba hledat maximum signálu za detektorem

36 Radiolokační systémy strana 36 LRAR-T2: Detekce cílů (25/25)  Autokorelační funkce vysílacího pulsu a příslušně nastavený práh má zásadní vliv na rozlišení v šikmé dálce

37 Radiolokační systémy strana 37 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):  f d je dopplerovský frekvenční posuv  Za přizpůsobeným filtrem získáme signál

38 Radiolokační systémy strana 38 LRAR-T2: Efekty pohyblivých cílů (2/3)  Po vyjádření korelace mezi vstupním signálem a impulsní charakteristikou přizpůsobeného filtru   je celkové zpoždění signálu (vysílač-cíl-přijímač-přizp. filtr)  Vliv dopplerovského efektu na výsledný signál za přizpůsobeným filtrem (bez uvažování aditivního šumu)

39 Radiolokační systémy strana 39 LRAR-T2: Efekty pohyblivých cílů (3/3)  Vliv dopplerovského posuvu spektra na tvar pulsu za MF (IM- LFM signál)

40 Radiolokační systémy strana 40 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)

41 Radiolokační systémy strana 41 LRAR-T2: Funkce neurčitosti (2/6)  Ve frekvenční oblasti  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

42 Radiolokační systémy strana 42 LRAR-T2: Funkce neurčitosti (3/6)  Funkce neurčitosti pro pravoúhlý puls

43 Radiolokační systémy strana 43 LRAR-T2: Funkce neurčitosti (4/6)  Funkce neurčitosti pro IM-LFM

44 Radiolokační systémy strana 44 LRAR-T2: Funkce neurčitosti (5/6)  Funkce neurčitosti pro váhovaný IM-LFM

45 Radiolokační systémy strana 45 LRAR-T2: Funkce neurčitosti (6/6)  Funkce neurčitosti pro váhovaný IM-BPM (Barker 13)

46 Radiolokační systémy strana 46 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

47 Radiolokační systémy strana 47 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

48 Radiolokační systémy strana 48 LRAR-T2: Metody IPC (3/3)  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

49 Radiolokační systémy strana 49 LRAR-T2: Syntetická apertura (1/3)  Princip  SAR = Synthetic Aperture Radar  Podstatné zvětšení rozlišení radarového zobrazení

50 Radiolokační systémy strana 50 LRAR-T2: Syntetická apertura (2/5)  Vytváří se umělá anténní řada ve směru pohybu radaru (na letadle nebo družici)

51 Radiolokační systémy strana 51 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

52 Radiolokační systémy strana 52 LRAR-T2: Syntetická apertura (4/5)  Doba apertury (Aperture Time) definuje čas pro získání sady záznamů pro postprocessingový beamforming

53 Radiolokační systémy strana 53 LRAR-T2: Syntetická apertura (5/5)  Vzdálenost k měřenému bodu od jednotlivých pozic antén:  Signál na n-té pozici antény  Celkový signál ze všech pozic a pro svazek ve směru měřeného bodu:

54 Radiolokační systémy strana 54  Monostatický radar – jeden RX/TX systém  Bistatický radar – vysílač a přijímač rozdělen LRAR-T2: Multistatický radar (1/4)

55 Radiolokační systémy strana 55 LRAR-T2: Multistatický radar (2/4)  Multistatický radar – více TX (může to být i nezávislý systém) a více RX

56 Radiolokační systémy strana 56 LRAR-T2: Multistatický radar (3/4)  Pasivní systém – např. řízená střela

57 Radiolokační systémy strana 57 LRAR-T2: Multistatický radar (4/4)  Radarová rovnice – výsledkem Cassiniho ovál konstantních SNR

58 Radiolokační systémy strana 58 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

59 Radiolokační systémy strana 59 LRAR-T2: Sekundární radar (2/8)  Dvousvazkový anténní systém dotazovače  Měření azimutu  Odpovědi pouze od odpovídačů v daném azimutálním směru

60 Radiolokační systémy strana 60 LRAR-T2: Sekundární radar (3/8)  Mód „A“ = ID odpovídače, resp. číslo letu

61 Radiolokační systémy strana 61 LRAR-T2: Sekundární radar (4/8)  Odpověď v módu „A“  Číslo letu tvoří čtyři oktalové cifry ( – , tj kombinací – pro lety nad Evropou přidělováno Eurocontrolem  Speciální kódy:  únos  – ztráta spojení  nouze

62 Radiolokační systémy strana 62 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 až ft.

63 Radiolokační systémy strana 63  Odpověď v módu „C“ LRAR-T2: Sekundární radar (6/8)

64 Radiolokační systémy strana 64 LRAR-T2: Sekundární radar (7/8)  Mód S (Adresný nebo všeobecný dotaz)  Z módu S se vyvinul systém ADS-B (Automatic dependent surveillance-broadcast)

65 Radiolokační systémy strana 65 LRAR-T2: Sekundární radar (8/8)  ADS-B  DF – zdroj dat  AA – aircraft address  ME – parametry (poloha z GPS, rychlost, výška z výškoměru)

66 Radiolokační systémy strana 66  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)

67 Radiolokační systémy strana 67 LRAR-T2: Pasivní radar (2/6)  Více TX (nezávislé – např. TV vysílač) + jeden RX  PCL systémy = Passive Coherent Location

68 Radiolokační systémy strana 68 LRAR-T2: Pasivní radar (3/6)  Jeden TX (nepřítel) + více RX (inverzní princip k GPS)

69 Radiolokační systémy strana 69 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.

70 Radiolokační systémy strana 70 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).

71 Radiolokační systémy strana 71 LRAR-T2: Pasivní radar (6/6)  Mobilní RX stanice VERA

72 Radiolokační systémy strana 72 Děkuji za vaši pozornost MTD zpracování rychlosti větru – meteoradar Skalky


Stáhnout ppt "TUTORIÁL 2. LRAR – Radiolokační a radionavigační systémy Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně."

Podobné prezentace


Reklamy Google