Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

PŘEDNÁŠKA 4 MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně 6.10.2014.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "PŘEDNÁŠKA 4 MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně 6.10.2014."— Transkript prezentace:

1 PŘEDNÁŠKA 4 MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně

2 strana 2 MRAR: PŘEDNÁŠKA 4  Měřicí signály radarů  Principy detekce cílů  Efekty pohyblivých cílů  Funkce neurčitosti  Metody IPC (indikace pohyblivých cílů)

3 strana 3 MRAR-P4: 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 strana 4 MRAR-P4: 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 strana 5 MRAR-P4: 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 strana 6 MRAR-P4: 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 strana 7 MRAR-P4: 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 strana 8 MRAR-P4: Měřicí signály radarů (6/9)  Schéma obecné struktury MCPC  Požadována ortogonalita subnosných (OFDM) a redukce PMEPR (Peak-to-Mean Envelope Power Ratio)

9 strana 9 MRAR-P4: 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 strana 10 MRAR-P4: Měřicí signály radarů (8/9)  Korelační funkce  IM – pravoúhlé pulsy bez vnitropulsní modulace

11 strana 11 MRAR-P4: Měřicí signály radarů (9/9)  IM-BPM – pravoúhlé pulsy s vnitropulsní binární fázovou modulací (kód Baker 13)  Kompresní poměr

12 strana 12 MRAR-P4: 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 strana 13 MRAR-P4: 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 strana 14 MRAR-P4: 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 strana 15 MRAR-P4: Detekce cílů (4/25)  Zpracování reálného radiolokačního signálu – série měření

16 strana 16 MRAR-P4: 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 strana 17 MRAR-P4: 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 strana 18 MRAR-P4: 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 strana 19 MRAR-P4: Detekce cílů (8/25)  T k jsou jednotlivé naměřené doby mezi falešnými poplachy  t k jsou naměřené doby trvání falešných poplachů

20 strana 20 MRAR-P4: Detekce cílů (9/25)  pak pravděpodobnost falešného poplachu  B je šířka pásma IF zesilovače radaru  a střední dobu mezi falešnými poplachy lze vyjádřit

21 strana 21 MRAR-P4: 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 strana 22 MRAR-P4: 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 strana 23 MRAR-P4: Detekce cílů (12/25)  Závislost pravděpodobnosti falešného poplachu na decibelovém poměru mezi prahem a střední hodnotou výkonu šumu

24 strana 24 MRAR-P4: Detekce cílů (13/25)  Závislost pravděpodobnosti střední doby mezi falešnými poplachy na TNR a B

25 strana 25 MRAR-P4: 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 strana 26 MRAR-P4: 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 zjednodušující Albersheimovy rovnice

27 strana 27 MRAR-P4: Detekce cílů (16/25) kde

28 strana 28 MRAR-P4: Detekce cílů (17/25)  Rayleighovo vs. Riceovo rozdělení

29 strana 29 MRAR-P4: Detekce cílů (18/25) Příklad 13: Pro systém z příkladu 12 určete potřebný poměr signál ku šumu pro zajištění 95% pravděpodobnosti detekce cíle

30 strana 30 MRAR-P4: 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 strana 31 MRAR-P4: 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 strana 32 MRAR-P4: 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 strana 33 MRAR-P4: 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 strana 34 MRAR-P4: Detekce cílů (23/25)  Za přizpůsobeným filtrem získáme signál (neuvažujeme ad. šum)  R TX (·) je autokorelační funkce vyslaného impulsního signálu (IM-LFM)

35 strana 35 MRAR-P4: Detekce cílů (24/25)  Pro určení šikmé dálky cíle je třeba hledat maximum signálu za detektorem

36 strana 36 MRAR-P4: Detekce cílů (25/25)  Autokorelační funkce vysílacího pulsu a příslušně nastavený práh má zásadní vliv na rozlišení v šikmé dálce

37 strana 37 MRAR-P4: 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 strana 38 MRAR-P4: 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 strana 39 MRAR-P4: Efekty pohyblivých cílů (3/3)  Vliv dopplerovského posuvu spektra na tvar pulsu za MF (IM- LFM signál)

40 strana 40 MRAR-P4: 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 strana 41 MRAR-P4: 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 strana 42 MRAR-P4: Funkce neurčitosti (3/6)  Funkce neurčitosti pro pravoúhlý puls

43 strana 43 MRAR-P4: Funkce neurčitosti (4/6)  Funkce neurčitosti pro IM-LFM

44 strana 44 MRAR-P4: Funkce neurčitosti (5/6)  Funkce neurčitosti pro váhovaný IM-LFM

45 strana 45 MRAR-P4: Funkce neurčitosti (6/6)  Funkce neurčitosti pro váhovaný IM-BPM (Barker 13)

46 strana 46 MRAR-P4: 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 strana 47 MRAR-P4: 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 strana 48 MRAR-P4: 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 strana 49 Děkuji za vaši pozornost MTD zpracování rychlosti větru – meteoradar Skalky


Stáhnout ppt "PŘEDNÁŠKA 4 MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně 6.10.2014."

Podobné prezentace


Reklamy Google