MRAR
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 49

PŘEDNÁŠKA 4 . PowerPoint PPT Presentation


  • 148 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

MRAR – Radioloka ční a radionaviga ční systémy. PŘEDNÁŠKA 4. 1 5. 1 0.20 13. 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).

Download Presentation

PŘEDNÁŠKA 4 .

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


P edn ka 4

MRAR – Radiolokační a radionavigační systémy

PŘEDNÁŠKA 4.

15.10.2013

Jiří Šebesta

Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně


P edn ka 4

MRAR:PŘEDNÁŠKA 4.

  • Měřicí signály radarů

  • Principy detekce cílů

  • Efekty pohyblivých cílů

  • Funkce neurčitosti

  • Metody IPC (indikace pohyblivých cílů)

Radiolokační a radionav. systémy


P edn ka 4

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


P edn ka 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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

MRAR-P4:Měřicí signály radarů (8/9)

  • Korelační funkce

  • IM – pravoúhlé pulsy bez vnitropulsní modulace

Radiolokační a radionav. systémy


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

MRAR-P4:Detekce cílů (4/25)

  • Zpracování reálného radiolokačního signálu – série měření

Radiolokační a radionav. systémy


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

MRAR-P4:Detekce cílů (12/25)

  • Závislost pravděpodobnosti falešného poplachu nadecibelovém poměru mezi prahem a střední hodnotou výkonu šumu

Radiolokační a radionav. systémy


P edn ka 4

MRAR-P4:Detekce cílů (13/25)

  • Závislost pravděpodobnosti střední doby mezi falešnými poplachy naTNR a B

Radiolokační a radionav. systémy


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

MRAR-P4:Detekce cílů (16/25)

kde

Radiolokační a radionav. systémy


P edn ka 4

MRAR-P4:Detekce cílů (17/25)

  • Rayleighovo vs. Riceovo rozdělení

Radiolokační a radionav. systémy


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

MRAR-P4:Detekce cílů (24/25)

  • Pro určení šikmé dálky cíle je třeba hledat maximum signálu za detektorem

Radiolokační a radionav. systémy


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

MRAR-P4:Efekty pohyblivých cílů (3/3)

  • Vliv dopplerovského posuvu spektra na tvar pulsu za MF (IM-LFM signál)

Radiolokační a radionav. systémy


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

MRAR-P4:Funkce neurčitosti (3/6)

  • Funkce neurčitosti pro pravoúhlý puls

Radiolokační a radionav. systémy


P edn ka 4

MRAR-P4:Funkce neurčitosti (4/6)

  • Funkce neurčitosti pro IM-LFM

Radiolokační a radionav. systémy


P edn ka 4

MRAR-P4:Funkce neurčitosti (5/6)

  • Funkce neurčitosti pro váhovaný IM-LFM

Radiolokační a radionav. systémy


P edn ka 4

MRAR-P4:Funkce neurčitosti (6/6)

  • Funkce neurčitosti pro váhovaný IM-BPM (Barker 13)

Radiolokační a radionav. systémy


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

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


P edn ka 4

Děkuji za vaši pozornost

MTD zpracování rychlosti větru – meteoradar Skalky

Radiolokační a radionav. systémy


  • Login