TUTORIÁL 2. Jiří Šebesta LRAR – Radiolokační a radionavigační systémy 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

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

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

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

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

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) 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

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

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

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

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

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 Radiolokační systémy

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) Radiolokační systémy

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 Radiolokační systémy

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

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 Radiolokační systémy

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 νenv rozdělení Rayleighovo: Radiolokační systémy

LRAR-T2: Detekce cílů (7/25) Pravděpodobnost toho, že hodnota obálky šumu překročí hodnotu prahu (VTH = 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): Radiolokační systémy

LRAR-T2: Detekce cílů (8/25) Tk jsou jednotlivé naměřené doby mezi falešnými poplachy tk jsou naměřené doby trvání falešných poplachů Radiolokační systémy

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 Radiolokační systémy

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. Radiolokační systémy

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 Radiolokační systémy

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

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

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 I0 je modifikovaná Besselova funkce 1. druhu nultého řádu Radiolokační systémy

LRAR-T2: Detekce cílů (15/25) Pravděpodobnost toho, že hodnota obálky signálu se šumem překročí hodnotu prahu (VTH = 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 Radiolokační systémy

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

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

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. Radiolokační systémy

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 PrFA = konstantě Radiolokační systémy

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 hMF(t) je impulsní odezva přizpůsobeného filtru Radiolokační systémy

LRAR-T2: Detekce cílů (21/25) HMF() je frekvenční odezva přizpůsobeného filtru Přizpůsobený filtr (Matched Filter) lze popsat A je zisk filtru (libovolný) Tz je časové zpoždění filtru (libovolné) Lze realizovat FIR strukturou Radiolokační systémy

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 Tdelay je zpoždění signálu vyslaného signálu sTX Radiolokační systémy

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

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

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

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): fd je dopplerovský frekvenční posuv Za přizpůsobeným filtrem získáme signál Radiolokační systémy

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) Radiolokační systémy

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

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

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 Ve frekvenční oblasti Pro výpočet velkého rozsahu parametrů se využívá metod práce se řídkými maticemi Radiolokační systémy

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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