Upload
vlado-slusalica
View
250
Download
9
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Domet radara
Citation preview
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
1
4. DOMET RADARA, DETEKCIJA CILJA, INTEGRACIJAODJEKA, KOMPRESIJA RADARSKOG IMPULSA
SADRŽAJ Strana
4.1. Domet aktivnog radara – primarnog radara (PSR).............................
4.1.1. Utjecaj pojedinih faktora na domet radara................................. 4.1.2. Primjer računanja dometa aktivnog radara...............................4.2. Domet aktivnog radara s aktivnim odgovorom (SSR).......................4.3. Detekcija cilja na temelju jednog odjeka............................................
4.4. Integracija odjeka cilja......................................................................... 4.4.1. Analogna integracija odjeka cilja.............................................. 4.4.2. Digitalna integracija odjeka cilja...............................................4.5. Kompresija radarskog impulsa...........................................................
4.5.1. Kompresija impulsa frekvencijskom modulacijom................... 4.5.2. Kompresija impulsa faznim kodiranjem....................................
2
6 8 9 9
14152021
2224
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
2
4.1. Domet aktivnog radara – primarnog radara (PSR)
Domet radara predstavlja najveću udaljenost između radra i cilja, uz zadane
vjerojatnosti pravilnog motrenja i lažne uzbune i predstavlja vrlo značajnu karakteristiku
svakog radarskog uređaja (RU).
Na domet radara utjeću sljedeći faktori:
• tehničke značajke RU
• parametri cilja,
• uvjeti prostiranja EMV,
• refleksije od površine Zemlje,
• različiti utjecaji prirodnih i umjetnih smetnji.
Sl.4.1 Princip rada impulsnog radara
Domet u slobodnom prostoru je domet RU bez utjecaja Zemlje i gušenja u
atmosferi.
Domet RU u slobodnom prostoru za točkasti cilj povezuje osnovne
parametre RU.
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
3
Predajna energija preko antene RU zrači se u prostor. Kada dođe do prepreke
(željeni cilj – zrakoplov, brod ili oblaci za meteorološki radar ili neželjeni cilj – refleksije
od objekata na zemlji ili refleksije od mora) dio reflektirane energije (za monostatički
radar) preko iste antene vraća se u prijemnik. Radarski prijemnik će registrirati cilj, ako
je razina primljenog signala veća od Pprij.min ili Ppraga.
Motrimo točku C na udaljenosti R od radara sl. 4.2. Kada bi antena RU zračila
snagu Ppr ravnomjerno na sve strane u prostoru, tada bi ta snaga zračenja bila
ravnomjerno raspoređena na površini kugle 4pR2. Gustoća snage direktnog vala p u
točki C bi iznosila:
(1)
Za usmjerenu antenu koja ima pojačanje Gpred vrijedi slijedeći izraz:
(2)
Sl.4.2 Model aktivnog radara za izračun dometa
p re d'c 2
P4 R
r =p pred predC c
rs 2 2 2 4
P GP4 R 4 R (4 ) R
sr sr = = =
p p p
pred'c 2
P4 R
r =p
predc pred2
PG
4 Rr =
p
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
4
Ako bi se u točki C na cilju nalazila prijemna antena s efektivnom površinom A iprijemnikom, na ulaz prijemnika bi dolazila snaga Pprij.
(3)
Iz jednadžbe (3) može se zaključiti da je snaga na ulazu u prijemnik suprotno
proporcionalna kvadratu udaljenosti između predajnika i prijemnika.
Budući da se kod aktivnog RU u točki C nalazi cilj, a ne prijemna antena
relektirana snaga zavisi od radarske odrazne površine cilja s.
Snaga koja se reflektira od cilja je:
Pc = pcs (4)
Cilj se javlja kao izvor elektromagnetske energije. Snaga Pc ravnomjerno je
raspoređena na površini kugle (4pR2 ) čije je središte u C.
Gustoća snage prs reflektiranog vala na radaru iznosi:
(5)
Količina reflektirane snage, koju primi antena RU dobije se kao produkt gustoće
snage prs i efektivne površine antene Aprij.
Na temelju navedenog, snaga na ulazu prijemnika RU je:
(6)
Ako se na predaji i na prijemu koristi ista antena Gpred = Gprij = G, a efekivna
površina antene A može se povezati s izrazom:
(7)
Kada izraz za G uvrstimo u izraz (6) dobije se radarska jednadžba za slobodniprostor:
(8)
G = kD k = (07- 08)D
(9)
pred predC crs 2 2 2 4
P GP4 R 4 R (4 ) R
sr sr = = =
p p p
pred pred prijprij rs prij 2 4
P G AP A
(4 ) Rs
= r =p
2
4G Ap=l
2 2pred
prij 3 4
P GP
64 Rsl
=p
2pred
prij 2 4
P AP
4 Rs
=pl
predprij pred2
PP G A
4 R= ´ ´
p
D[°] = 41235/ε°β° ili D[rad] = 4π/ εβ
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
5
Na temelju izraza (8) može se zaključiti da je snaga na ulazu u prijemnik zatočkasti cilj suprotno proporcionalna s četvrtom potencijom udaljenosti. Ovo seobjašnjava time što se kod aktivnog radara gustoća snage dva puta smanjuje sudaljenošču: jednom u smjeru radar-cilj, a drugi puta u smjeru cilj-radar.
Na maksimalnoj udaljenosti, odnosno dometu RU snaga primljenog signala Pprij
je jednaka pragu osjetljivosti prijemnika Ppraga.
Pprij.min = Ppraga = g k Kš T B (10)
(11)
Izrazi (12-15) predstavljaju opće jednadžbe za računanje maksimalnogdometa monostatičkog radara u slobodnom prostoru uz idealne uvjete:
(12) (13)
(14) (15)
( )prij.minpo lu
prij
PS v , vN N= = g
g - faktor nadvišenja, g ³ 1
Kš – koeficijent šuma prijemnika
k – Boltzmanova konstanta k = 1,38 10-23 (Ws/°K)
B – propusni opseg prijemnika
S – snaga signala na ulazu prijemnika
N – snaga šuma prijemnika
2 2pred
4max 3prij.min
P GR
64 P× ×l ×s
=p ×
2pred
4maxprij.min
P AR
4 P× ×s
=p×l ×
2pred4max 2
š
P AR
4 k K T B× ×s
=p×l × g × × × ×
2 2pred
4maxš
P GR
64 k K T B× ×s ×l
=p× g × × × ×
Rmax – maksimalni domet radara u slobodnom prostoru (m)Ppred – snaga predajnika (W)Pprij.min – minimalno snaga primljenog signala (W)Pi – impulsna snaga radara (W)G – pojačanje antene za okrugli paraboloid 2
4G Ap=l
2dA4× p
=2 2
2
dG × p=
l
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
6
Izrazi (12-15) su univerzalni i primjenjivi su za impulsne radare (Pprij.min –impulsne snage) i za radare s kontinuiranim zračenjem (Pprij.min – srednje snage)
4.1.1. Utjecaj pojedinh faktora na domet radara
a) Utjecaj energetskog potencijala
Domet RU u slobodnom prostoru je funkcija energetskog potencijala Ppred /Pprij.min.
Za impulsne radare vrijedi izraz (16) iz kojeg je vidljivo da bi za povećanje dometa
za dva puta, bilo potrebno povećati energetski potencijal za 16 puta ili 12 dB. Osjetljivost prijemnika ograničena je snagom unutarnjih šumova prijemnika N i
faktorom nadvišenja g.
Kod kvazioptimalne unutar periodičke obrade, propusno područje B linearnog
dijela prijemnika bira se tako da bude optimalan B = V / t, gdje V ovisi od oblika VF
impulsa.
Obično vrijedi da je Pprij.min º 1/t, pa izraz (16) poprima oblik:
(16) (17)
U zavisnosti o obliku obrade N impulsa (koherentna ili nekoherentna) faktor nadvišenja
može biti:
(18) (19)
l - valna duljina odaslanog VF signala (m)l = c/f (c-brzina svijetlosti, f - frekvencija odašiljača )s - radarska odrazna površina cilja (m2)t - širina impulsa predajnika (s)
i4max
prij.min
PRP
º 4 4max i iR P Eº t º
KO1N
g º NKO1N
g º
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
7
Za RU s kontinuiranim zračenjem vrijedi Ppred = Psr, a širina signala je
određena vremenom osvjetljavanja Tosvj. Propusno područje prijemnika računa se
pomoću izraza B=1/Tosvj .
Domet RU za kontinuirano zračenje je: (20)
(21)
Pprij.min º 1/Tosvj.
4max sr osvR P Tº ×
Kao što se iz izraza (22) vidi za zadano vrijeme Tosvj domet zavisi samo o srednjoj
snazi. Slično je i za impulsne radare. Budući da se broj impulsa računa pomoću izraza
N = Tosvj /Ti = Tosvj fi , tada se za mali broj impulsa N može napisati izraz za domet
RU s impulsnim radom.
4 4max i i osv sr osvR P f T P Tº × t × × = ×
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
8
4.1.2. Primjer računanja dometa aktivnog radara
R[km] 1 5 10 15 20 35 50 100 200Pprij[W] 5.67E-07 9.07E-10 5.67E-11 1.12E-11 3.54E-12 3.78E-13 9.07E-14 5.67E-15 3.54E-16
DETEKTIRAN DA DA DA DA DA NE NE NE NE
Pprij[dBm] -32.4648 -60.4236 -72.4648 -79.5084 -84.506 -94.2275 -100.424 -112.465-
124.50597
Pprij.min1 = 10-12W Rmax1 = 27,44km
Pprij.min1 = 10-13W Rmax2 = 48,76km
-140
-120
-100
-80
-60
-40
-20
00 50 100 150 200 250
R[Km]
Pprij
[dB
m]
1E-16
1E-14
1E-12
1E-10
1E-08
1E-06
0.0001
0.01
10 50 100 150 200 250
R[km]
Pprij
[W]
a) Izračunajte Pprij.min= f ( R ) za cilj odrazne površine 1m2; Ppred = 200 kW;
G = 2.500 i l = 3cm. Rezultate prikažite u tablici i dijagramom!
b) Koliki je Rmax, ako je Pprij.min = 10-12W ili 10-13W
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
9
4.2. Domet aktivnog radara s aktivnim odgovorom – sekundarni radar SSR
4.3. Detekcija cilja na temelju jednog impulsa odjeka
Kada nema signala odjeka od objekata iz prostora motrenja ispred detektora u
radarskom prijamniku dobiva se uskopojasni šum. To je slučajni signal koji je nastao
prolazom "bijeloga šuma" (generira se na ulazu prijamnika) kroz cijeli prijamni lanac.
Statistička svojstva tog signala neovisna su o frekvencijskoj karakteristici
prijemnika, samo je važno da je reletivna širina propusnog područja vrlo mala.
2I I R I
RR 2 2I I
P G GP4 R L
l=
p
2I I R R
IR 2 2R R
P G GP4 R L
l=
p
RI – udaljenost od interogatora do transponderaRR – udaljenost od transpondera do interogatoraλI – valna duljina interogacije, za 1030MHz iznosi 29,13 cmλR – valna duljina odgovora, za 1090MHz iznosi 27,52 cmPI – snaga interogatoraPR – snaga transponderaGI – dobitak antene SSR postajeGR – dobitak antene trnsponderaPIR – primljena snaga na interogatoruPRR – primljena snaga na transponderuLI, LR – totalni gubici na interogacijskom putu odnosno putuodgovora
4.3 Princip rada sekundarnog radara
2I I R I2I 2
RR I
P G GR4 P L× × l
=p × ×
2R I R R2R 2
IR R
P G GR4 P L× × l
=p × ×
Za radar s aktivnim odjekom snaga opada s 1/R2, dok za radar s pasivnimodjekom snaga opada s 1/R4.
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
10
Uskopojasni šum je zapravo signal s prijenosnom frekvencijom sredine kanala i
istovremeno je amplitudno i fazno moduliran. Promjene amplitude i faze imaju statisticki
karakter.
Amplituda ima Rayleighovu raspodjelu a fazni kutovi su svi jednako vjerojatni
unutar 0 i 2π. Nakon amplitudne demodulacije signal ima oblik kao na sl. 4.3 s time da
mu trenutačne vrijednosti imaju Rayleighovu raspodjelu
SI.4.3 Napon amplitudno demoduliranog signala u zavisnosti o vremenu
Kada postoji samo šum signal je y=n(t), a njegova funkcija gustoće vjerojatnosii
po(y) te se može odrediti vjerojatnost lažne uzbune kao vjerojatnost prekoračenja.
Da bi se utvrdilo postoji li signal cilja ili ne, mora se postaviti analogni prag detekcije,
što znači da se za sve napone veće od y0 donosi odluka da signal cilja postoji.
SI.4 4. Tumačenje donošenja odluke o postojanju cilja na temelju funkcijagustoća vjerojatnosti
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
11
Kako će vrhovi šuma u nekim slučajevima biti veći od tog praga to znači donjet
će se odluka da cilj postoji iako signala cilja nema.
Vjerojatnost lažne uzbune je vjerojatnost prekoračenja za definirani napon
praga i može se dobiti integracijom:
(1)
Ako postoji smjesa signala i šuma onda je:
Y(t) = s(t) + n(t) (2)
Uz predpostavku da je signal impuls jedinične amplitude, funkcija gustoće
vjerojatnosti smjese signala i šuma će biti p1(y), a to je u stvari pomaknuta funkcija
p0(y).
Uz gore navedene uvjete vjerojatnost detekcije cilja može izračunati po
formuli:
(3)
SI.4.5 Funkcija gustoće vjerojatnosti normiranog napona smjese signala
( )0
L oy
P p y dy¥
= ò
( )0
d 1y
P p y dy¥
= ò
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
12
Vidi se da s povećanjem praga vrlo brzo opada vjerojatnost lažne uzbune ali
opada i vjerojatnost detekcije. Stvarne funkcije gustoće vjerojatnosti napona smjese
signala i šuma za radare s amplitudnom detekcijom za različite vrijednosti odnosa
signal/šum prikazane su na sl.4.5. Na apscisi su signali normirani na efektivnu
vrijednost šuma. Vidi se da kod odnosa signal/šum = 0 (dakle signala nema) funkcija
gustoće vjerojatnosti ima Rayleighovu krivulju.Budući da je šum stacionaran i ne mijenja svoju statistiku, dakle funkcija
gustoće vjerojatnosti se ne mijenja to će vjerojatnost lažne uzbune zavisiti samo oanalognom pragu detekcije. Što je prag viši vjerojatnost lažne uzbune je manja!
Na temelju porodice krivulja na sl.4.4. može se uz fiksni prag tj. konstantnu
vjerojatnost lažne uzbune odrediti vjerojatnost detekcije za različite odnose signal/šum.
Krivulje koje daju vjerojatnost detekcije u zavisnosti o odnosu signal/šum uz
lažnu uzbunu kao parametar nacrtane su na sl.4.6. Ponekad se u radarskim sustavima
specificira prosječno vrijeme između dvije lažne uzbune. Detektirani signal u
prijamniku ima prema sl.4.3 valni oblik s "valovitošću" koja je pibližno t , a to je
približno i vrijeme unutar kojeg je signal šuma iznad analognog praga detekcije.
Prosječno vrijeme između dvije lažne uzbune TL biti će: (4)
Mjerilo na sl.4.6 je nelineamo i to tako da je jako rastegnuto za velike
vjerojatnosti detekcije, jer je upravo to područje interesantno pa su potrebna preciznija
očitanja.
Ako se vjerojatnost detekcije nacrta u linearnom mjerilu onda se dobiju krivulje
kao na sl.4.7. Vidi se da su krivulje za konstantnu vjerojatnost lažne uzbune praktički
paralelno pomaknute duž osi apscise. Koristeći se referentnom udaljenošću za S/N=1ili 0 dB prema jednadžbi (14.) vjerojatnost detekcije može se dobiti i u ovisnosti o
normiranoj udaljenost uz vjerojatnost lažne uzbune kao parametar, što je prikazano na
sl.4.7.
LL L
1TP BPt
= =
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
13
Sl.4.6 Vjerojatnost detekcije jednog odjekacilja u zavisnosti o odnosusignal/šum uz vjerojatnost lažneuzbune kao parametar
Sl.4.7 Prikaz vjerojatnosti detekcije a) ulinearnom mjerilu u funkciji odnosasignal/šum i b) u funkciji normiraneudaljenosti
U radarskim sustavima, posebno suvremenim civilnim, koristi se daje se podatak
broj lažnih ciljeva po jednom okretu antene. Ukupan broj ciljeva može biti
maksimalno jednak broju kvanata površine za vrijeme jednog okreta antene. Ako je
vrijeme koje odgovara maksimalnoj udaljenosti tmax, a vrijeme jednog okreta antene Ts
= 1/fs onda je
(5)
Uz vjerojetnost lažne uzbune PL bit će broj lažnih ciljeva MLOK po jednom okretu
antene je:
(6)
4max s max rOK
r s
t T 6t (ms) f (Hz)M 10T ( s) f (okr. / min)
×= × = ×
t t m ×
MLOK = PLMOK
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
14
Sl.4.8 Vjerojatnost detekcije za Rayleighov cilj u zavisnosti o odnosusignal/šum uz vjerojatnost lažne uzbune kao parametar
Uz druge funkcije vjerojatnosti. i uz uvijet da odrazna površina cilja fluktuira po
Rayleighovom zakonu, a što je vrlo čest slučaj, mogu se nacrtati analogne krivulje kao
na sl.4.6. Takva porodica krivulja nacrtana je na sl.4.8. Uspoređivanjem krivulja na
sl.4.6. i sl.4.8. može se zaključiti. Sve krivulje na sl.4.8. znatno su položenije u odnosu
na one na sl.4.6.
To znači da će se ista vjerojatnost detekcije postići kod znatno većegodnosa signal/šum. To se posebno vidi kod velikih vjerojatnosti detekcije.
4.4. Integracija odjeka cilja
Integracija odjeka cilja je dodatna obrada signala koja se svodi na različite
oblike "zbrajanja” impulsa odjeka od istoga cilja unutar kuta usmjerenosti antene,
odnosno vremena osvjetljavanja cilja. Najčešće se obrađuju svi odjeci od cilja za
vrijeme osvjetljavanja cilja i tek nakon obrade se donosi odluka o postojanju cilja. Timese poveća mogućnost otkrivanja ciljeva i točnost mjerenja koordinata.
Postupak integracije se zasniva na zajedničkom djelovanju grupe impulsa, jer
signali odjeka se javljaju u određenim vremenskim intervalima (Tr). Kod radara za
kružno motrenje, broj uzastopnih impulsa od cilja za vrijeme okretanja antene dobije
se iz jednadžba (6). Procesom integracije povećava se odnos S/N, jer se uzorci
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
15
signala zbrajaju algebarski ili gotovo algebarski, dok se uzorci šuma zbognjegovog slučajnog karaktera zbrajaju statistički.
(12)
Kod RU koristi se: analogna i digitalna integracija
Sl. 4.9 Slijed primljenih impulsa odjeka od jednog točkastog cilja za vrijemejednog okreta antene
4.4.1. Analogna integracija odjeka cilja
Analogna integracija može biti: koherentna i nekoherentna ili videointegracija
a) Koherentna integracija
Koherentna integracija vrši se u međufrekvencijskom dijelu, gdje je signal odjeka
sinusnog oblika. Impulsi odjeka se tako zakasne da budu svi jednake faze u odnosu na
neki referentni signal. Zbroj trenutnih vrijednosti n signala jednake amplitude bit će n-
struki, dakle snaga sume jednaka n2
puta snaga pojedinog signala. Kod šuma će
zbroj n različitih vrijednosti uzoraka šuma (slušajni signali s jednakom statistikom) imati
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
16
4n - puta veće rasipanje, odnosno kvadrat rasipanja (prosječna snaga šuma) bit će
samo n-puta veći. To znači da će odnos signal/šum nakon koherentne integracije biti
uz uvijet ako su amplitude svih odjeka jednake:
(7)
To je i ujedno najveće moguće povećanje odnosa signl/šum koje se može
postići integracijom. Na temelju novo dobivenog odnosa signal/šum mogu se iz sl.4.6.
odrediti vjerojatnost detekcije i vjerojatnost lažne uzbune nakon koherentne integracije.
b) Neoherentna integracija ili videointegracija
Najčešće se u RU koriste signali iza detekcije (videosignali), jer se za
koherentnu integraciju zahtijevaju mnogo složeniji sklopovi, što znatno poskupljuje RU.
Takva je integracija sigurno lošija, jer smo izgubili informaciju o fazi signala. Zato se
ovakva integracija naziva nekoherentna ili videointegracija. Zbog usporedbe različitih
vrsta integracija jedinstvenim parametrom uvodi se faktor poboljšanja uslijed
integracije g koji se definira pomoću izraza (8).
(8)
Za koherentnu integraciju je g = 1, a za videointegraciju unutar granica:
0,7 ≤g ≥ 0,9
Bilo koja vrsta integracije je zapravo specifičan slučaj obrade signala
korelacijskim postupcima. Poseban oblik integracije, koji je ujedno i najmanje
djelotvoran je vizuelna integracija. Ona nastupa posredstvom oka promatrača kada
se promatra zaslon katodne cijevi pokazivača. Za vrijeme Drugog svjetskog rata vršena
su opsežna eksperimentalna ispitivanja kako bi se utvrdio faktor poboljšanja uslijed
vizuelne integracije. Za uspoređivanje eksperimentalnih rezultata poslužio je faktoruočavanja (engl.visibility factor) koji je definiran kao odnos energije impulsa prema
gustoći snage šuma, dakle
(12)
Kako snaga signala i snaga šuma različito ovise o širini propusnog područja
visokofrekvencijskog dijela prijamnika B to je na sl.4.9 faktor uočavanja nacrtan u
n 1
S SnN N
æ ö æ ö= ×ç ÷ ç ÷è ø è ø
nn
1
SNa nSN
g
æ öç ÷è ø= =æ öç ÷è ø
p p
0 0
P P B SV BkT kT B Nt t
= = = t
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
17
zavisnosti o produktu B t za vjerojatnost detekcije od 90%. Kao parametar uzeta je u
pokusima impulsna frekvencija kojoj je proporcionalan broj impulsa koji se integriraju
na zaslonu.
Sl. 4.9 Faktor uočavanja u funkcijiprodukta B t uz impulsnufrekvenciju kao parametar
Sl.4.10. Faktor uočavanja u funkcijiimpulsne frekvencije uz uporabuA-pokazivača
Da bi se odredio faktor poboljšanja za vizuelnu integraciju, na sl.4.10. nacrtani
su rezultati mjerenja provedeni na A-pokazivaču koji su dobiveni u SAD-u za vrijeme
Drugog svjetskog rata.
Faktor uočavanja je nacrtan u zavisnosti od impulsne frekvencije. Vidi se da do
frekvencije od približno 100 Hz ima pad od 5 dB po dekadi, što znači da je g = 0,5.
Taj je postupak integracije najlošiji, a svi drugi postupci su dakle između vizuelne i
koherentne integracije. Postupci integracije posredstvom elektroničkih sklopova mogu
se vršiti na analognom ili digitaliziranom signalu. Analogna se integracija može vršiti
prije ili poslije detekcije, dakle u medufrekvencijskom dijelu ili na videosignalu. Digitalna
integracija vrši se u videofrekvencijskom dijelu, no prethodno treba videosignal
digitalizirati. Danas se mogu pomoću brzih računala koja rade u gotovo realnom
vremenu analogni postupci nadomjestiti s digitalnim procesiranjem signala pa je sada
teško načiniti strogu podjelu između analognih i digitalnih integracija.
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
18
Sl.4.11 Analogna integracija a) pomoću linija za kašnjenje b) pomoću rotirajućeg mag-netskog diska
Kod analogne integracije videosignala primjenjuju se: linije za kašnjenje ilirotirajući diskovi što je shematski nacrtano na sl.4.11.
Kod linije za kašnjenje s odvojcima ukupno vrijeme kašnjenja jednako je
vremenu integracije, a odvojci odgovaraju razmaku između dva primljena impulsa. Broj
odvojaka je prema tome n.
Rotirajućim magnetskim diskom mogu se postići relativno velika vremena
integracije s promjenljivim razmakom između impulsa.
Zbog zahtjeva na preciznost odvojaka u analognoj tehnici, upotrebljavaju se
sheme prema sl.4.12. sa samo jednom linijom za kašnjenje i jednom ili dvije povratne
petlje.
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
19
Sl.4.12 Integracija pomoću jedne linije za kašnjenje
a) s jednostrukom petljomb) s dvostrukom petljom
Da bi se spriječile moguće oscilacije zbog povratne petlje, signal se nakon
svakog prolaza groz petlju oslabi (faktor pojačanja k < 1).
Kod jednostruke petlje je za stabilan rad potreban kmax = 0,9 a time je broj
integriranih impulsa ograničen na kmax = 10, dok je kod dvostruke petlje kmax = 0,98 i
nmax = 60.
Primijena videointegratora povećava vjerojatnost detekcije i istovremenopotiskuje slučajne i neke vrste namjernih smetnji ako se prije integracije stavljaograničavač amplitude.
Ograničavač amplitude dopušta maksimalnu dinamiku na ulazu integratora od 10
dB. Time se postiže da jedan veliki impuls smetnje ne daje i veliki izlaz iz integratora.
Ujedno služi kao zaštita integratora od prevelikih ulaznih signala, koji bi mogli prijeći
njegov dinamički opseg i preopteretiti ga.
Kako PPI-pokazivač ima ograničenu dinamiku on omogućava prikazivanje i slabijih
odjeka. Naime u tom slučaju videointegrator povećava dinamiku pokazivača u području
slabih signala bez potrebe povećanja svjetline ekrana.
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
20
4.4.2. Digitalna integracija odjeka cilja
Uređaj koji iz analognog videosignala izdvoji određeni broj ciljeva (obično unaprijed
zadan kapacitetom računala) naziva se ekstraktor cilja o kojem će bit više rečeno u
digitalnoj obradi.
U ukupnom broju ciljeva ima i stvarnih i lažnih ciljeva, ali je njihov broj odabran
na temelju vjerojatnosti detekcije i lažne uzbune.
Da se računalo koje obrađuje odjeke ciljeva iz ekstraktora ne bi preopteretilo
poželjno je i vrlo često se izvodi ekstraktor takvih svojstava, da cijeli prijamni lanac ima
svojsvo CFAR prijamnika (engl. naziva Constant False Alarm Rate). To znači da se i u
nepovoljnim prilikama kada se povećaju smetnje i nastaje veća fluktuacija ciljeva na
izlazu dobije približno konstantna vrijednost lažne uzbune
Sve korelacijske digitalne metode otkrivanja ciljeva provode se u dva koraka.
Najprije se vrši detekcija odjeka, a zatim detekcija cilja. Nakon svakog prijelaza
analognog videosignala iznad analognog praga detekcije iza A/D pretvarača pojavi
se impuls konstantne amplitude i trajanja odašiljačkog impulsa
Svaki impuls digitaliziranog signala vrednuje se kao odjek bez obzira na to potječe li od
stvarnog cilja, neželjenog odjela, bilo kakve smetnje ili šuma.
Djelotvornost otkrivanja ciljeva bitno ovisi o namještenom analognom pragu.
Poželjno je prag staviti što niže, kako bi se povećala vjerojatnost da se detektiraju i
vrlo slabi signali odjeka od cilja. To međutim povećava vjerojatnost da se vrhovi šuma
ili smetnji takoder vrednuju kao odjek. Veliki broj digitalnih impulsa koji ne potječu od
stvarnih ciljeva se u drugom koraku obrade bitno smanji, kako bi se postigla dovoljno
niska vjerojatnost lažne uzbune za kvalitetan radarski sustav.
SI.4.13 Prikaz veze između vjerojatnostipojave jednog impulsa i istovremenepojave vise od k a manje od n impulsaunutar slijeda od n uzastopna kvanatapovršine jednog prstena udaljenosti
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
21
SI.4.14 Ulazni odnos S/N uovisnosti o digitalnompragu za različite lažneuzbune kao parametar (a)određen na temeljuporodice krivulja (b) kojesu analog-ne onima nasl.4.13
Sl.4.15 Usporedba različitih metodaintegracije za vjerojatnost detekcijecilja od 90% i lažne uzbune od 10-10
Najdjelotvornija je koherentna integracija (sl.4.14) predstavlja donju granicu kojase uopće može postići.
Druga krivulja je optimalna videointegracija kojoj za jednak broj integriranihimpulsa treba veći odnos signal/šum.
S povećanjem integriranih impulsa razlika u odnosu signal/šum je sve veća naštetu videointegracije
4.5. Kompresija radarskog impulsa
Ako želimo postići veći maksimalni domet RU (odnosno povećati odnos
signal/šum) za određenu maksimalnu impulsnu (koja ima ograničenu vrijednost u
zavisnosti od tipa odašiljača) snagu Pi odašiljača, a istovremeno zadržati istu rezoluciju
koju je RU imao za zadanu širinu impulsa odašiljača t potrebno je povećati energiju
impulsa Pi t. Zadovoljavanje ova dva suprotna zahtjeva postiže se metodama
kompresije impulsa.
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
22
Koristi se: FM modulacija i fazno kodiranje podimpulsa
4.5.1. Kompresija impulsa frekvencijskom modulacijom
Kako rezolucija radara po udaljenosti ovisi o širini impulsa potrebno ga je u
prijamniku suziti a da mu sadržaj energije ostane isti.
Jedan od načina da se to postigne jest frekvencijska modulacija odašiljačkog
impulsa. Ta je modulacija redovito linearne, tako da je na početku odašiljačkog impulsa
frekvencija najviša (fmax), a zatim lineamo opada do kraja impulsa na fmin (sl.4.16).
U prijamniku se impuls propušta kroz filtar za kompresiju, koji ima takvu
karakteristiku, da pri prolazu kroz njega signali kasne proporcionalno svojoj frekvenciji.
To znači da će kašnjenje prednjeg brida impulsa Tmax biti veće od kašnjenja stražnjeg
brida Tmin .
Kašnjenje unutar impulsa postepeno opadati kako se mijenja frekvencija. Impuls
se zbog toga vremenski gledano sabio. Budući da filtar za kompresiju ima male
gubitke, suženje impulsa prati povećanje amplitude tj. snage u impulsu. Kompresijom
impulsa postiglo se dvojako poboljšanje.
Prvo, impuls je kraći pa je rezolucija po udaljenosti bolja i drugo,povećanje snage u impulsu povećalo je odnos signal/šum a time i osjetljivostradara tj.ili povećani domet ili uz isti domet bolja vjerojatnost detekcije ismanjenje lažne uzbune
Ako se pretpostavi da je anvelopa odašiljačkog impulsa u idealnom slučaju
pravokutnik visine 1 i trajanja t , a razlika frekvencije na početku i kraju impulsa je
, može se Fourierovom transformacijom utvrditi anvelopu izlaznog
signala koja ima oblik
(8)
Faktor kompresije iznosi:
(9)
max minf f fD = -
sin f ta(t) ff tpD ×
= tDpD ×
ck f= t×D
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
23
SI.4.16 Metode kompresije impulsa a) promjena trenutne frekvencije
impulsa b) impuls prije kompresije c) impuls nakon komrpresije d) karakteristika filtra za kompresiju
Kod ove metode moduliranja odaslani impuls ima linearni frekvencijsko
modulirani valni oblik. Dosta je jednostavno izvesti (sl.4.17), ali linearni signal je dosta
lako ometati
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
24
Sl.4.17 Blok shema linearne FM kompresijeNelinarna FM
Kod ove metode modulirani impuls ima simetrični valni oblik koji ima frekvenciju
koja se povećava (ili smanjuje) tijekom prve polovice impulsa, a zatim tijekom druge
polovice impulsa smanjuje (povećava).
SI.4.18 Izgled nelinearnog FM impulsa
Negativne strane ove modulacije su njena kompleksnost, što znaci
kompleksnije i skuplje sustave. Postoji potreba za vise FM modulatora kako bi se
postigle pojedine frekvencije.
Prednost je što je otpornija na ometanje i prisluškivanje.
4.5.2. Kompresija faznim kodiranjem
Razlika između FM i i fazno kodiranog impulsa je u tome što se kod fazne
modulacije dugački impuls razbija u više malih podimpulsa. Svaki od podimpulsa
jednakog je vremenskog intervala. Fazni pomak svakog podimpulsa se podudara sa
vrijednošću faznog koda.
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
25
Sl.4.19 Primjer binarnog faznog koda
Binarni kod se sastoji od slijeda signala koji poprimaju vrijednosti +1 ili -1. Fazni
pomak odaslanog signala varira između 0° i 180° u ovisnosti o faznom kodu. Kad
želimo promijeniti vrijednost iz +1 u -1 na mjestu pretvorbe signal fazno pomaknemo.
Posljedica ovoga je da na mjestima pretvorbe signal obično nije kontiunuiran.
Digitalna fazna modulacija može također vrlo dobro poslužiti za kompresijuimpulsa.
Kao što smo već naveli koristi se dvofazna ili višefazna digitalna modulacija
niza podimpulsa koji su dobiveni dijeljenjem odašiljačkog impulsa na jednake dijelove.
Kod dvofazne modulacije svaki podimpuls može imati fazu 0° (simbol +) ili 180°(simbol -). Kao što se vidi iz jednadžbe (7) stvarna anvelopa impulsa ima valovitost
kod koje je prvi bočni maksimum 13,5 dB ispod glavnog što u nekim slučajevima može
simulirati dva bliska cilja jedan veći drugi manji.
Poželjno je da su ti sekundarni maksimumi što manji ili da ih uopće nema. Jedan od
najboljih kodova koji nakon kompresije teorijski daju minimalne amplitude utitravanja i
istitravanja jest Barkerov kod.
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
26
U tablici dani su kodovi za različiti broj podimpulsa (N). Ako se jednostavnosti radi
pretpostavi (a to će vrijediti i kasnije) da svi impulsi imaju jediničnu amplitudu.onda
veličina sekundarnih maksimuma bez obzira na duljinu koda ne prelazi vrijednost 1.
Sl. 4.20 Princip dekodiranja fazno moduliranog signala
Nažalost maksimalna duljina Barke-rova koda je 13, pa faktor kompresije ne
može prijeću tu brojčanu vrijednost odnosno 22,3 dB. Barkerov dekoder koji vrši
kompresiju u prijemniku prikazan je na sl.4.20 i 4.21. Taj dekoder ima liniju za
kašnjenje s obvojncima ili niz identičnih linija za kašnjenje koje odgovara širini
podimpulsa.
Kad dobijemo reflektirane FM signale moramo ih dekodirati. To se izvodi
pomoću optimalnog filtra (kompresora). Reflektirani signali, zakašnjeli za Tik, 4Tik, 5Tik,
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
27
6Tik, zadržavaju se na ulazu sumatora, te nema pomaka u odnosu na predajni signal.
Signali zakašnjeli za 0,2Tik, 3Tik, zakreću se fazno za π u odnosu na predajni signal.
Sumator zatim algebarski zbraja impulse u svakom kodnom intervalu. Kad dođe
Posljedni impuls na liniju kašnjenja na izlazu dobijemo impuls s amplitudom 7 puta
večom od početne.Na istoj sl. 4.20 prikazani su i signali svih odvojaka simbolima (+) ili (-) kao i
vremenska ovisnost signala sume na izlazu. Trokutasti oblik signala dobije se
kontinuiranim vremenskim pomacima u linijama za kašnjenje dok vrhovi trokuta
odgovaraju kvantiziranim pomacima od po .
Sl. 4.21 Primjer metode kompresije Barkerovim kodom i dvofaznommodulacijom
a) Barkerov dekoder duljine 13 podimpulsab) tumačenje kako se dobiva izlazni signal dekodera zbrajanjemc) skica anvelope izlaznog signala u ovisnosti ovremenu
Dt
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
28
Da bi se povećao faktor kompresije mogu se rabiti i duži kodovi raznih tipova
kojima su ali sekundarni maksimumi veći u odnosu na Barkerove kodove iste duliine.
Od višefaznih metoda modulacije najčešći je Frankov kod kojim se ostvaruje
faktor kompresije N = n2. Svaki podimpuls je po trajanju N-ti dio odašiljačkog impulsa i
fazno je moduliran s cjelobrojnim višekratnikom (k) osnovnog faznog pomaka
tako da se dobije N mogućih faznih stanja na razmaku .
Frankov kod može se napisati uobliku kvadratne matrice s n redaka i n stupaca
s time da se slijed faznih stanja u uzastopnim podimpulsima dobije isčitavanjem
elemenata slijeva nadesno redak po redak. Jednostavnosti radi elementi upisani u
matricu nisu fazni skokovi već broj k. Opći oblik matrice Frankova koda je:
Ako se pogleda bilo koji redak u matrici onda slijeva nadesno faza od
podimpulsa do podimpulsa raste za isti iznos, dakle linearno. Lineami porast faze
predstavlja konstantnu frekvenciju, što znači da svaki redak predstavlja stepeničastu
aproksimaciju konstantne frekvencije Fazni se skok od podimpulsa do podimpulsa u
svakom idućem redku linerano povećava, što odgovara sve višoj i višoj frekvenciji.
Dakle Frankov kod je stepeničasta aproksimacija frekvencijske modulacije
odašiljačkog impulsa. Budući da se u modernim radarima napušta analognaobrada signala to se Frankov kod često rabi. Na sl.4.22 objašnjen je rad dekodera
za Frankov kod duljine N =16= n2
= 42 za koji se može na temelju općeg oblika
matrice napisati matrica
Da
2 / NDa = p
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
29
SI.4.22 . Primjer Frankova koda s 16 podimpulsaa) dekoder
b) tumačenje kako se dobije izlaz dekodera c) zbrajanjem kompleksnih brojeva d) skica anvelope izlaznog signala
Mirko Jukl Domet radara, detekcija cilja, integracija odjeka, kompresija RS 2012
30
SI. 4.23. Primjer Frankova koda s 16 podimpulsaa) dekoder
b) tumačenje kako se dobije izlaz dekodera c) zbrajanje kompleksnih brojeva d) skica anvelope izlaznog signala