Wybrane problemy przetwarzania sygnałów radarowych
Transkrypt
Wybrane problemy przetwarzania sygnałów radarowych
PODSTAWY TELEDETEKCJI Jerzy PIETRASIŃSKI Instytut Radioelektroniki WEL WAT bud. 61, pok. 14, tel. 683 96 39 Cz. V WYBRANE PROBLEMY PRZETWARZANIA SYGNAŁÓW RADAROWYCH y(t) ∫ X Decyzja: A*=1, jeżeli A*=0, jeżeli Układ progowy z z x(t) Sygnał oczekiwany (wzorzec) 0 Próg Przypadek braku sygnału użytecznego w Przypadek obecności sygnału użytecznego w przebiegu y(t) y(t) x(t) x(t) t y(t)=n(t)+x(t) t )⋅ x (t ) = n (t )⋅ x (t T 0 ∫ n (t )⋅ x (t )⋅ Przebieg odebrany t y (t ) )⋅ x (t ) = n (t )⋅ x (t )+ x 2 z = dt ∫ [n ( t ) ⋅ x ( t ) + T 0 x 2 (t ) Wynik mnożenia y (t ) ⋅ x (t t t z = Sygnał oczekiwany t y(t)=n(t) y (t z>z 0 z≤ z0 (t )]⋅ dt 0 0 z T Wynik całkowania 0 z0 t T o Rys. Schemat odbiornika korelacyjnego i przebiegi czasowe z = T 0 ∫ y (t )⋅ x (t )⋅ dt 0 l = exp ⎛ ⎜⎜ − E N 0 ⎝ ⎞ ⎟⎟ ⋅ exp ⎠ ⎛ 2 z ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ N 0 ⎠ o t ) Przełącznik N-O System nadawczy Mieszacz/przedwzmacniacz System antenowy Detektor obwiedni Wzm. b.w.cz. Wzm. p.cz. Stabilny generator lokalny Rys. Uproszczony schemat blokowy monostatycznego radaru impulsowego Wyjście wizyjne z wyjścia przedwzmacniacza Filtr dopasowany do pojedynczego r(t) impulsu Kwadratowy detektor obwiedni x(t) ∑ x (t ) z(t) Układ decyzyjny Sumator (integrator) Próg Rys. Uproszczony schemat blokowy odbiornika niekoherentnego dla paczki impulsów Decyzja echa od pasków folii (skorelowany Rayleigh) (celowe zakłócenia bierne) echa od obiektów powietrznych szum odbiornika (sygnały użyteczne) (Rayleigh) sygnały spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi słabymi (odbierane jednym listkiem ch-tyki ant.) echa stałe (log-normal) echa spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi silnymi zakłócenia meteorologiczne (RayleighWeibull) zakłócenia szumowe celowe (aktywne) echo superrefrakcyjne zakłócenia od innych radarów „anioł” zakłócenia od radiolinii kodowanych fazowo Rys. Środowisko elektromagnetyczne radaru Założenie: charakterystyka antenowa posiada tylko jeden listek (listek główny) NAD N-O Układ SOR Układ tłumienia ech „stałych” czyli układ TES (filtry okresowe) Urządzenie końcowe Rys. Ilustracja koncepcji rozwiązania radaru impulsowo-koherentnego SOR – selekcja obiektów ruchomych TES – tłumienie ech stałych N-O – przełącznik nadawanie - odbiór System nadawczy Generator lokalny Generator koherentny X Antena Wzm. b.w.cz Konwersja widma w górę N-O Mieszacz/przedwzmacniacz X Detektor fazy I System odbiorczy Q Etap selekcji obiektów ruchomych Etap tłumienia ech stałych Rys. Uproszczony schemat blokowy radaru impulsowo-koherentnego z nadajnikiem samowzbudnym (generator mocy np. magnetron) oraz z generatorem koherentnym bez części w której realizuje się tłumienie zakłóceń biernych G en erato r p ierw o tn y Im p u lso w y w zm . m ocy P o w ielacz N -O Im p u lsato r - cz aso ster M iesz acz W z m acn iacz p .cz . U rz ąd z en ie k o ń co w e (w sk aź n ik ) G en erato r k o h eren tn y D etek to r faz y cią g im p u lsó w w iz yjn yc h , k tó re m o g ą b yć z m o d u lo w an e w am p litu d z ie d rg an iem o cz ęsto tliw o ści F D D o tąd u k ład S O R ; d a lej T E S Z ało ż en ia: D etek to r dw up o łó w k o w y L O (T p ) U k ład k o m p en sacji v r = v ropt = const ro ≅ 1 z ak ł. b iern e siln e n=2 jed en k an ał R y s. S c h e m a t b lo k o w y ra d a ru im p u lso w o -k o h e re n tn e g o (rad aru z T E S -e m ) L O (T p ) – lin ia o p ó ź n iająca o cz as T p . wizja TOR AMPLITUDOWY amplit. SPFA (cyfr.) we sygn. p.cz. AC BOS TOR KOHERENTNY CTES oraz SPFA EKSTRAKTOR SYGNAŁÓW wizja koher. wykrycie R estymacja α β R/LOK. (cyfr.). Rys. Ilustracja koncepcji rozwiązania analogowo – cyfrowego bloku obróbki sygnałów (AC BOS) Kanał amplitudowy Wzm. we wstępny p.cz. z ZRW Wzm. log. Det. ampl. Wzm. lin. p.cz. Det. ampl. Przełącznik LIN-LOG Konw. a/c Przełącznik wizji AMPL cyfr. TES Układ oblicz. progu AMPL Układ SPFA CFAR CUSZ Pamięć reguł decyzyjnych AMPL TES Detekcja paczki imp. Układ opracowania informacji wyjściowej wykrycie R α β estymacja faz. zewn. fazow. wewn. z heter. koho Układ fazowania sin Det. fazy Kanał TES cos Konw. a/c CTES Układ oblicz. progu TES Rys. Uproszczony schemat funkcjonalny AC BOS z cyfrowymi układami TES (CTES) i ekstraktorem Detection scheme for non-Gaussian clutter with unknown covariance matrix Receiver for Clutter with Gaussian pdf (linear in z) H1 z WMF INPUT DATA THRESHOLD H0 z1 z 2 .....z K/ /2 CUT . . . . . zK q 0( z) ..... LOOK-UP TABLE f(q ,λ ) 0 ˆ M x ESTIMATION ALGORITHMS νˆ , μˆ Quadratic form in z Optimal non linearity (in Gaussian clutter f(q0,λ)= λ) PULSED JAMMER RECOGNITION SLB ANTENNA MAIN ANTENNA LIMITER RF IF CONVERS LNA ENV. DET. Ω CHANNEL (AS Σ1 CHANNEL BELOW) RADIATING ELEMENTS K HBFNs VBFNs (3) Σ1 > PHASE SHIFTERS Σ Δ T/R LIMITER RF IF CONVERS LNA x Δ1 > MTI ON/OFF COMPARATOR ADAPTIVE MTI h ON/OFF FIXED/CFAR I,Q PULSE COMPRESSOR COHERENT DETECTOR PULSE COMPRESSOR COHERENT DETECTOR ADC (2) MTI[K] X MTI[h] ENV. DET. THRESHOLD ADC (2) MTI[K] X MTI[h] MONOPULSE PROCESSING AZIMUTH INTRGRATION I,Q Σ2 Δ2 BEAMS # 1,2,3 MULTIPLEXED Σ3 • • • AS ABOVE AMPLITUDE(A) AND exp(-j2ΠfD) DOPPLER(fD) ESTIMATOR ACEC A ENV. DET. Δ3 RF STALOS (3) POWER AMPLIFIER FREQUENCY GENERATOR VHF STALO COHO FIXED CLUTTER SENSOR MOBILE CLUTTER SENSOR JAMMER DATA ECM RECEIVER DETECTION LOGICS CLUTTER MAPS AND SELECTION LOGICS HBFN = HORIZONTAL BEAMFORMING NETWORK ENV. DET. = ENVELOPE DETECTOR ACEC VBFN = VERCITAL BEAMFORMING NETWORK X ADC = ANALOG TO DIGITAL CONVERTER MTI[K] = MOVING TARGET INDICATOR CANCELLER WITH “K” ZEROS SLB = SIDELOBE BLANKING DATA EXTRACTOR LNA = ADAPTIVE CANCELLER FOR EXTENDED CLUTTER = COMPLEX MULTIPLIER = LOW NOISE AMPLIFIER • • • „h” AND „K” VALUES FIXED/ADAPTIVE MTI ON/OFF CFAR/FIXED THRESH. JAMMER DATA AND JAM STROBE PLOTS DATA (RANGE AZIMUTH ELEVATION) CLUTTER AND CHAFF DATA TO THE CENTRAL COMPUTER AND OPERATIONAL DISPLAY Rys. Schemat blokowy radaru z kompresją analogową, adaptacyjnym TES-em oraz mapą zakłóceń WYBRANE PROBLEMY RADAROWYCH SYGNAŁÓW ZŁOŻONYCH PROBLEMY PRZETWARZANIA SYGNAŁÓW RADAROWYCH ª synteza i kompresja sygnałów z wewnątrzimpulsową modulacją, ª filtracja sygnałów z zakłóceń oraz ich detekcja w sensie wykrywania (w tym detekcja sekwencyjna), ª kojarzenie wykryć oraz estymacja parametrów obiektów wykrytych przez radar, ª rejestracja i symulacja sygnałów ech radarowych i zakłóceń. Siemens Plessey Systems AR327 COMMANDER Siemens Plessey Systems Electronic beam steering in elevation and azimuth Wide-band, high duty processor Excellent ECCM features, including MULTIPLE FREQUENCY CODED waveforms AR327 COMMANDER Auto-tracking, with integral command and control capability KOMPRESJA SYGNAŁU TYPU LMCZ W DZIEDZINIE CZASU amplituda Sygnał złożony na wejściu układu kompresji Twe Istota 0,06 czas [µs] 0,00 -0,06 0,0 20 40 60 80 100 1,5 Twy Sygnał po układzie kompresji amplituda 0,5 czas [µs] 0,0 -0,5 -1,5 0,0 20 40 60 80 100 KOMPRESJA SYGNAŁU LMCZ W DZIEDZINIE CZASU Brak szumu Współczynnik kompresji Twe K= Twy Wartości K do około 1000 Amplituda sygnału na wejściu A0 Amplituda sygnału na wyjściu A0 ⋅ K KOMPRESJA SYGNAŁU LMCZ W DZIEDZINIE CZASU Właściwości Stosowanie kompresji sygnałów powoduje: - poprawę wykrywalności sygnałów wynikającą ze wzrostu amplitudy sygnału wyjściowego Awy = A0 ⋅ K - poprawę rozróżnialności sygnałów wynikającą ze skrócenia czasu trwania sygnału wyjściowego Twe Twy = K OGÓLNY SCHEMAT RADARU W KTÓRYM STOSUJE SIĘ SYGNAŁY ZŁOŻONE (KOMPRESJA) Generator impulsów wzbudzających U we Filtr dyspersyjny nadawczy t Przełącznik N-O Twe U wy t Filtr dyspersyjny odbiorczy U t Twe U 2Twe t Przebieg obwiedni sygnału po kompresji (tzw. sygnału skomprymowanego) DYSPERSYJNE LINIE OPÓŹNIAJĄCE Do generacji sygnałów złożonych (po stronie nadawczej) oraz do ich kompresji (po stronie odbiorczej) wykorzystuje się DYSPERSYJNE LINIE OPÓŹNIAJĄCE s(t) = A exp(jω0t) piezoelektryk fala powierzchniowa f0 = νp 2d l 2d = λ WYBRANE PRZEBIEGI SYGNAŁÓW Założenia: - odbierane są dwa złożone sygnały echa rozsunięte względem siebie o Δt = 10 µs - czas trwania każdego z w.w. sygnałów Twe = 38.4 µs - wartość bazy równoważna wartości współczynnika kompresji dla każdego z w.w. sygnałów jest równa K = 192 WYBRANE PRZEBIEGI SYGNAŁÓW Amplituda 0,0 czas t [µs] echo pierwsze SNR1 = - 5 dB t [µs] echo drugie SNR2 = 0 dB Twe Δt=10µs 0,0 Twe 0,1 t [µs] amplituda UADC[V] 0,2 0,0 -0,1 -0,2 25,0 50,0 czas 75,0 mieszanina obu w.w. ech z szumem na wejściu układu kompresji 100,0 20,0 amplituda U/Dev[dB] 30,0 10,0 t [µs] 0,0 -10,0 -20,0 25,0 50,0 czas 75,0 100,0 mieszanina obu ech z szumem na wyjściu układu kompresji