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

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

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

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

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)

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)

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) 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

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

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

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

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

MRAR-P4: 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

MRAR-P4: Detekce cílů (2/25) PrD je pravděpodobnost správné detekce (rozhodnutí) PrFA je pravděpodobnost falešného poplachu (False Alarm) PrMD je pravděpodobnost nedetekce (Missed Detection)

MRAR-P4: 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

MRAR-P4: Detekce cílů (4/25) Zpracování reálného radiolokačního signálu – série měření

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

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 νenv rozdělení Rayleighovo:

MRAR-P4: 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):

MRAR-P4: Detekce cílů (8/25) Tk jsou jednotlivé naměřené doby mezi falešnými poplachy tk jsou naměřené doby trvání falešných poplachů

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

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.

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

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

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

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 I0 je modifikovaná Besselova funkce 1. druhu nultého řádu

MRAR-P4: 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 zjednodušující Albersheimovy rovnice

MRAR-P4: Detekce cílů (16/25) kde

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

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.

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 PrFA = konstantě

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 hMF(t) je impulsní odezva přizpůsobeného filtru

MRAR-P4: 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

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 Tdelay je zpoždění signálu vyslaného signálu sTX

MRAR-P4: Detekce cílů (23/25) Za přizpůsobeným filtrem získáme signál (neuvažujeme ad. šum) RTX(·) je autokorelační funkce vyslaného impulsního signálu (IM-LFM)

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

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

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

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)

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

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)

MRAR-P4: 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

MRAR-P4: Funkce neurčitosti (3/6) Funkce neurčitosti pro pravoúhlý puls

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

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

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

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

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

MRAR-P4: 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

Děkuji za vaši pozornost MTD zpracování rychlosti větru – meteoradar Skalky