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