PŘEDNÁŠKA 4 .

1. MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy PŘEDNÁŠKA 4. 15.10.2013 Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně

2. MRAR:PŘEDNÁŠKA 4. • Měřicí signály radarů • Principy detekce cílů • Efekty pohyblivých cílů • Funkce neurčitosti • Metody IPC (indikace pohyblivých cílů) Radiolokační a radionav. systémy

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 nosnás fázovou modulací s PRN Radiolokační a radionav. systémy

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 Radiolokační a radionav. systémy

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) Radiolokační a radionav. systémy

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) Radiolokační a radionav. systémy

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) • Wn je komplexní váha n-té nosné • An,mje m-tý element modulační sekvence n-té nosné | An,m|= 1 • s(t) = 1 pro 0 ≤ t < tb Radiolokační a radionav. systémy

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) Radiolokační a radionav. systémy

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 Radiolokační a radionav. systémy

10. MRAR-P4:Měřicí signály radarů (8/9) • Korelační funkce • IM – pravoúhlé pulsy bez vnitropulsní modulace Radiolokační a radionav. systémy

11. MRAR-P4:Měřicí signály radarů (9/9) • IM-BPM – pravoúhlé pulsy s vnitropulsní binární fázovou modulací (kód Baker 13) • Kompresní poměr Radiolokační a radionav. systémy

12. 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 Radiolokační a radionav. systémy

13. 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) Radiolokační a radionav. systémy

14. 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 vzdálenostir • Rozlišovací buňka je 1km Radiolokační a radionav. systémy

15. MRAR-P4:Detekce cílů (4/25) • Zpracování reálného radiolokačního signálu – série měření Radiolokační a radionav. systémy

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 Radiolokační a radionav. systémy

17. MRAR-P4:Detekce cílů (6/25) • Pravděpodobnost falešného poplachu • Uvažujme na vstupu IF filtru šum s gaussovským rozdělením hustoty pravděpodobnosti amplitudy • νje napěťová úroveň šumu • Nje střední hodnota výkonu šumu • Po průchodu obálkovým detektorem má hustota pravděpodobnosti šumové obálky νenv rozdělení Rayleighovo: Radiolokační a radionav. systémy

18. 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): Radiolokační a radionav. systémy

19. MRAR-P4:Detekce cílů (8/25) • Tk jsou jednotlivé naměřené doby mezi falešnými poplachy • tk jsou naměřené doby trvání falešných poplachů Radiolokační a radionav. systémy

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 Radiolokační a radionav. systémy

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. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Radiolokační a radionav. systémy

22. MRAR-P4:Detekce cílů (11/25) • Pravděpodobnost falešného poplachu prodecibelový poměr mezi prahem a střední hodnotou výkonu šumu platí • Dvojka u výkonu šumu je dána dvoustrannou spektrální hustotou výkonu šumu Radiolokační a radionav. systémy

23. MRAR-P4:Detekce cílů (12/25) • Závislost pravděpodobnosti falešného poplachu nadecibelovém poměru mezi prahem a střední hodnotou výkonu šumu Radiolokační a radionav. systémy

24. MRAR-P4:Detekce cílů (13/25) • Závislost pravděpodobnosti střední doby mezi falešnými poplachy naTNR a B Radiolokační a radionav. systémy

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

26. 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 zjednodušujících Albersheimovy rovnice Radiolokační a radionav. systémy

27. MRAR-P4:Detekce cílů (16/25) kde Radiolokační a radionav. systémy

28. MRAR-P4:Detekce cílů (17/25) • Rayleighovo vs. Riceovo rozdělení Radiolokační a radionav. systémy

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. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Radiolokační a radionav. systémy

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 PrFA = konstantě Radiolokační a radionav. systémy

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 • hMF(t) je impulsní odezva přizpůsobeného filtru Radiolokační a radionav. systémy

32. MRAR-P4:Detekce cílů (21/25) • HMF() je frekvenční odezva přizpůsobeného filtru • Přizpůsobený filtr (Matched Filter) lze popsat • Aje zisk filtru (libovolný) • Tzje časové zpoždění filtru (libovolné) • Lze realizovat FIR strukturou Radiolokační a radionav. systémy

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 • Tdelay je zpoždění signálu vyslaného signálu sTX Radiolokační a radionav. systémy

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

35. MRAR-P4:Detekce cílů (24/25) • Pro určení šikmé dálky cíle je třeba hledat maximum signálu za detektorem Radiolokační a radionav. systémy

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

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): • fd je dopplerovský frekvenční posuv • Za přizpůsobeným filtrem získáme signál Radiolokační a radionav. systémy

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) Radiolokační a radionav. systémy

39. MRAR-P4:Efekty pohyblivých cílů (3/3) • Vliv dopplerovského posuvu spektra na tvar pulsu za MF (IM-LFM signál) Radiolokační a radionav. systémy

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) Radiolokační a radionav. systémy

41. 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 Radiolokační a radionav. systémy

42. MRAR-P4:Funkce neurčitosti (3/6) • Funkce neurčitosti pro pravoúhlý puls Radiolokační a radionav. systémy

43. MRAR-P4:Funkce neurčitosti (4/6) • Funkce neurčitosti pro IM-LFM Radiolokační a radionav. systémy

44. MRAR-P4:Funkce neurčitosti (5/6) • Funkce neurčitosti pro váhovaný IM-LFM Radiolokační a radionav. systémy

45. MRAR-P4:Funkce neurčitosti (6/6) • Funkce neurčitosti pro váhovaný IM-BPM (Barker 13) Radiolokační a radionav. systémy

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 Radiolokační a radionav. systémy

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 Radiolokační a radionav. systémy

48. 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 Radiolokační a radionav. systémy

49. Děkuji za vaši pozornost MTD zpracování rychlosti větru – meteoradar Skalky Radiolokační a radionav. systémy