86
TUTORIÁL 2 LRAR – Radiolokační a radionavigační systémy Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně 2.11.2013

TUTORI Á L 2

  • Upload
    giolla

  • View
    46

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

L RAR – Radioloka ční a radionaviga ční systémy. TUTORI Á L 2. 2. 1 1.20 13. Jiří Šebesta Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně. L RAR : TUTORIÁL 2. Měřicí signály radarů Principy detekce cílů Efekty pohyblivých cílů Funkce neurčitosti Metody IPC (indikace pohyblivých cílů) - PowerPoint PPT Presentation

Citation preview

Page 1: TUTORI Á L  2

TUTORIÁL 2

LRAR – Radiolokační a radionavigační systémy

Jiří Šebesta

Ústav radioelektroniky FEKT VUT v Brně

2.11.2013

Page 2: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 2

LRAR: TUTORIÁL 2.

Měřicí signály radarů Principy detekce cílů Efekty pohyblivých cílů Funkce neurčitosti Metody IPC (indikace pohyblivých cílů) Radar se syntetickou aperturou Sekundární radar Bistatické a multistatické radary Pasivní radiolokace

Page 3: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 3

LRAR-T2: 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 nosná s fázovou modulací s PRN

Page 4: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 4

LRAR-T2: 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

Page 5: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 5

LRAR-T2: 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)

Page 6: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 6

LRAR-T2: 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)

Page 7: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 7

LRAR-T2: Měřicí signály radarů (5/9)

Signály pro impulsní radary

IM-MCPC – pravoúhlé pulsy s vnitropulsní fázovou modulací s více nosnými (Multicarrier Phase-Coded Signals)

N

n

t

tNnjM

mbmnnC

betmtsAWts1

2

12

1, 1

Wn je komplexní váha n-té nosné

An,m je m-tý element modulační sekvence n-té nosné | An,m | = 1

s(t) = 1 pro 0 ≤ t < tb

Page 8: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 8

LRAR-T2: Měřicí signály radarů (6/9)

Schéma obecné struktury MCPC

Požadována ortogonalita subnosných (OFDM) a redukce PMEPR (Peak-to-Mean Envelope Power Ratio)

Page 9: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 9

LRAR-T2: 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

Page 10: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 10

LRAR-T2: Měřicí signály radarů (8/9)

Korelační funkce

IM – pravoúhlé pulsy bez vnitropulsní modulace

Page 11: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 11

LRAR-T2: Měřicí signály radarů (9/9)

IM-BPM – pravoúhlé pulsy s vnitropulsní binární fázovou modulací (kód Baker 13)

s

p

Kompresní poměr

Page 12: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 12

LRAR-T2: 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 VVTHTH (Threshold):

H1 – cíl je přítomen

H0 – cíl není přítomen

1HVTHenv

0HVTHenv

Page 13: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 13

LRAR-T2: Detekce cílů (2/25)

PrD je pravděpodobnost správné detekce (rozhodnutí)

PrFA je pravděpodobnost falešného poplachu (False Alarm)

PrMD je pravděpodobnost nedetekce (Missed Detection)

MDD Pr1Pr

Page 14: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 14

LRAR-T2: Detekce cílů (3/25)

Zpracování reálného radiolokačního signálu – jedno měření Pin(r) je vstupní

výkon signálu odpovídající času měření pro rozlišovací buňku ve vzdálenosti r

Rozlišovací buňka je 1km

%8,0250

2Pr FA

3

1Pr MD3

2Pr D

Page 15: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 15

LRAR-T2: Detekce cílů (4/25)

Zpracování reálného radiolokačního signálu – série měření

Page 16: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 16

LRAR-T2: Detekce cílů (5/25)

Obálkový detektor

IFIF fB 2IF

V

BB

Přijímač superheterodyn – zpracování pásmového signálu – popis pomocí komplexní obálky

Druhý detektor – odstranění nosného signálu a získání modulačního signálu ozvy (komplexní obálky)

lineární vs. kvadratický

Page 17: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 17

LRAR-T2: Detekce cílů (6/25)

Pravděpodobnost falešného poplachu

Uvažujme na vstupu IF filtru šum s gaussovským rozdělením hustoty pravděpodobnosti amplitudy

Nenvenv

env

eN

p2

2

ν je napěťová úroveň šumu

N je střední hodnota výkonu šumu Po průchodu obálkovým detektorem má hustota pravděpodobnosti šumové obálky νenv rozdělení Rayleighovo:

N

eN

p2

2

2

1

Page 18: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 18

LRAR-T2: Detekce cílů (7/25)

Pravděpodobnost toho, že hodnota obálky šumu překročí hodnotu prahu (VTH = napěťová úroveň) je

FA

N

V

V

env

NenvTHenv

TH

TH

env

edeN

V PrPr22

22

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):

N

kk

NFA T

NT

1

1lim

Page 19: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 19

LRAR-T2: Detekce cílů (8/25)

Tk jsou jednotlivé naměřené doby mezi falešnými poplachy

tk jsou naměřené doby trvání falešných poplachů

Page 20: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 20

LRAR-T2: Detekce cílů (9/25)

BTT

t

T

t

FAk

kK

kk

K

kk

FA

1Pr _

_

1

1

pak pravděpodobnost falešného poplachu

B je šířka pásma IF zesilovače radaru

a střední dobu mezi falešnými poplachy lze vyjádřit

N

V

FA

TH

eB

T 2

2

1

Page 21: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 21

LRAR-T2: 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.----------------------------------------------------------------------------------------------------------

dBmBNN dBdB 80701501010log10150log10 6][0][

pWNdBmN

W 101010 10

3080

10

30

][

][

VNV FATH 3,120005,0ln10102Prln2 12

sB

TFA

FA 2000005,01010

1

Pr

16

Page 22: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 22

LRAR-T2: Detekce cílů (11/25)

Pravděpodobnost falešného poplachu pro decibelový poměr mezi prahem a střední hodnotou výkonu šumu

10][

10PrdBTNR

eFA

platí

][

2][

][

][][ 2

log102 W

VTH

dBW

dBWTHdB N

V

N

LTNR

Dvojka u výkonu šumu je dána dvoustrannou spektrální hustotou výkonu šumu

Page 23: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 23

LRAR-T2: Detekce cílů (12/25)

Závislost pravděpodobnosti falešného poplachu na decibelovém poměru mezi prahem a střední hodnotou výkonu šumu

Page 24: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 24

LRAR-T2: Detekce cílů (13/25)

Závislost pravděpodobnosti střední doby mezi falešnými poplachy na TNR a B

Page 25: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 25

LRAR-T2: 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

N

AIe

Np envN

A

envenv

env

0

2

22

...8

11

22

1 cos0 xx

edtexI

xtx

Page 26: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 26

LRAR-T2: Detekce cílů (15/25)

Pravděpodobnost toho, že hodnota obálky signálu se šumem překročí hodnotu prahu (VTH = napěťová úroveň) je

D

V

envenvN

A

env

V

envenvTHenv

TH

env

TH

dN

AIe

NdpV PrPr 0

2

22

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 zjednodušující Albersheimovy rovnice

7,112,0N

S

Page 27: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 27

LRAR-T2: Detekce cílů (16/25)

kde

FAPr

62,0ln

D

D

Pr1

Prln

Page 28: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 28

LRAR-T2: Detekce cílů (17/25)

Rayleighovo vs. Riceovo rozdělení

Page 29: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 29

LRAR-T2: Detekce cílů (18/25)

Příklad 13:----------------------------------------------------------------------------------------------------------Pro systém z příkladu 12 určete potřebný poměr signál ku šumu pro zajištění 95% pravděpodobnosti detekce cíle.---------------------------------------------------------------------------------------------------------- 12,7

0005,0

62,0ln

94,295,01

95,0ln

6,1494,27,194,212,712,012,77,112,0 N

S

dBN

SdB

N

S7,116,14log10][log10][

Page 30: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 30

LRAR-T2: Detekce cílů (19/25)

Detekční kritéria – metody určení prahu

Maximalizace pravděpodobnosti detekce pro požadovanou pravděpodobnost falešného poplachu

Neyman-Pearsonův teorém

0

1

|Pr

|Pr

H

HV

0;PrPr HVV THFA

Metody CFAR (Continuous False Alarm Radar)

Automatické nastavení prahu tak, aby PrFA = konstantě

Page 31: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 31

LRAR-T2: Detekce cílů (20/25)

Optimální detektor = max. poměr S/N pro předpokládaný tvar pulzu ozvy

Aplikace přizpůsobeného filtru

Výstupní signál za přizp. filtrem:

tsthts INMFOUT

Ve frekvenční oblasti

INMFOUT SHS

hMF(t) je impulsní odezva přizpůsobeného filtru

Page 32: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 32

LRAR-T2: Detekce cílů (21/25)

HMF() je frekvenční odezva přizpůsobeného filtru

Přizpůsobený filtr (Matched Filter) lze popsat

ZTjTXMF eSAH

tTsAth zTXMF

A je zisk filtru (libovolný)

Tz je časové zpoždění filtru (libovolné)

Lze realizovat FIR strukturou

Page 33: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 33

LRAR-T2: Detekce cílů (22/25)

Za přizpůsobeným filtrem získáme signál

R(·) je autokorelační funkce impulsního signálu

Bude-li mít vstupní signál (ozva) tvar

2 in

TjINMFOUT SeASHS z

)( ZINMFOUT TtRAtsthts

)( delayTXIN Ttsats

a je amplituda ozvy na vstupu

Tdelay je zpoždění signálu vyslaného signálu sTX

Page 34: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 34

LRAR-T2: Detekce cílů (23/25)

Za přizpůsobeným filtrem získáme signál (neuvažujeme ad. šum)

RTX(·) je autokorelační funkce vyslaného impulsního signálu (IM-LFM)

)( delayZTXOUT TTtRAats

Page 35: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 35

LRAR-T2: Detekce cílů (24/25)

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

delayZd TTtt

t

2

21

Page 36: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 36

LRAR-T2: Detekce cílů (25/25)

Autokorelační funkce vysílacího pulsu a příslušně nastavený práh má zásadní vliv na rozlišení v šikmé dálce

Page 37: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 37

LRAR-T2: 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):

tfjdelayTXIN

deTtsats 2)(

fd je dopplerovský frekvenční posuv

Za přizpůsobeným filtrem získáme signál

),(),( 22 tfjTX

tfjdelayZTXOUT

dd etRAaeTTtRAats

Page 38: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 38

LRAR-T2: 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)

dtetstsAas tfjINTXOUT

d

2* )(

Vliv dopplerovského efektu na výsledný signál za přizpůsobeným filtrem (bez uvažování aditivního šumu)

Page 39: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 39

LRAR-T2: Efekty pohyblivých cílů (3/3)

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

Page 40: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 40

LRAR-T2: 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)

Page 41: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 41

LRAR-T2: Funkce neurčitosti (2/6)

Ve frekvenční oblasti

dtetstsf tfjTXTXD

D 2* )(,

dfeffSfSffj

DTXTXD 2* )(,

Pro výpočet velkého rozsahu parametrů se využívá metod práce se řídkými maticemi

Funkci neurčitosti (Ambiguity Function) je tedy autokorelační funkcí vysílaného signálu (impulzu) pro rozsah sledovaných časových zpoždění a rozsah dopplerovských posuvů

Page 42: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 42

LRAR-T2: Funkce neurčitosti (3/6)

Funkce neurčitosti pro pravoúhlý puls

Page 43: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 43

LRAR-T2: Funkce neurčitosti (4/6)

Funkce neurčitosti pro IM-LFM

Page 44: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 44

LRAR-T2: Funkce neurčitosti (5/6)

Funkce neurčitosti pro váhovaný IM-LFM

Page 45: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 45

LRAR-T2: Funkce neurčitosti (6/6)

Funkce neurčitosti pro váhovaný IM-BPM (Barker 13)

Page 46: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 46

LRAR-T2: 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

Page 47: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 47

LRAR-T2: 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

Page 48: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 48

LRAR-T2: Metody IPC (3/3)

Blokové schéma MTD pulsního radaru

Metoda MTD (Moving Target Detection) – obsahuje banku filtrů pro jednotlivá pásma odpovídající Dopplerově posuvu pro daný rozsah radiální rychlosti cílů

Page 49: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 49

LRAR-T2: Syntetická apertura (1/13)

Obecný princip SAR = Synthetic Aperture Radar

Podstatné zvětšení rozlišení radarového zobrazení

Instalace:

- letadla (airborne SAR)

- družice (space- borne SAR)

Page 50: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 50

LRAR-T2: Syntetická apertura (2/13)

Vytváří se umělá anténní řada ve směru pohybu radaru (na letadle nebo družici)

Page 51: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 51

LRAR-T2: Syntetická apertura (3/13)

Jednotlivá měření (odezvy na pulsní signál vysílače) se uloží do paměti a při vyhodnocení se aplikuje součet signálů s váhováním (fázové) k vytvoření umělého úzkého svazku

Page 52: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 52

LRAR-T2: Syntetická apertura (4/13)

Doba apertury (Aperture Time) definuje čas pro získání sady záznamů pro postprocessingový beamforming

Page 53: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 53

LRAR-T2: Syntetická apertura (5/13)

Vzdálenost k měřenému bodu od jednotlivých pozic antén:

sin dnRRn

sin

2ndR

ctj

n eAtr

cd

cdM

M

Rj

tj

M

Mn

ndRc

tjM

Mnn

ee

eAtrtr

sinsin

sin12sin

12

14

sin2

Signál na n-té pozici antény

Celkový signál ze všech pozic a pro svazek ve směru měřeného bodu:

Page 54: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 54

LRAR-T2: Syntetická apertura (6/13)

VV L

Systém SLAR (Side Looking Airborne Radar) Hlavní svazek anténa pulsního

SAR radaru míří do boku pod úhlem (look angle) .

Šířka bočního svazku V (pro pokles o 3 dB v radiánech) je svázána s rozměrem apertury LV:

Šířka pásu stopy (swath width) pro radiální vzdálenost R0 do středu stopy:

cos0

V

V L

RW

Page 55: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 55

LRAR-T2: Syntetická apertura (7/13)

HH L

sin2

pV

c

Rozlišení v příčném (bočním) směru je dáno šířkou pulsu (V<<WV):

Šířka svazku v podélném smě-ru je dáno podélným rozměrem apertury (radiány):

Rozlišení v podélném směru je dáno jen podélným rozměrem apertury a radiální vzdáleností:

HHH L

RR

0

0

Page 56: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 56

LRAR-T2: Syntetická apertura (8/13)

20

20

20 htvyxR

vLTA

2/;2/ AA TTt

Uvažujme SAR měření na délce L, pak interval přeletu pro konstantní rychlost v (odpovídá aperture time) bude:

Radiální vzdálenost k bodu P na zemi lze vyjádřit:

kde:

20

20

200 hyxR RL

0

00cos

R

x

Page 57: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 57

LRAR-T2: Syntetická apertura (9/13)

0

220

22

00

0 sin2

cos1 R

tv

R

vtRR

02

0

22

00 sincos

22 cR

tv

c

vt

c

Rttt TXTXTX

TXTX

Po úpravě a aplikaci Taylorova rozvoje:

Argument přijatého signálu je závislý na tomto zpoždění:

se zpožděním impulsu na trase tam i zpět :

TX

c

2

02

0

22

00 sincos

222 cR

tv

c

vt

c

R

c

R

02

0

22

00 sin

2cos

44

R

tvvtRtt TX

Se zavedením vlnové délky:

zjednodušíme na:

Page 58: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 58

LRAR-T2: Syntetická apertura (10/13)

dt

tdfi

2

10

2

0

2

0 sin2

cos2

R

tvvff TXiRX

0cos2 v

fdP

Okamžitá frekvence přijatého signálu je:

a rozdíl mezi Doppler. posuvy mezi P a P’ je :

vDt

2sin 0

Vyjádříme–li Doppler. posuvy pro cíl v bodě P a P’:

za t jsme dosadili :

00

0' sincos2

R

DvvfdP

00

sinR

Dvfd

Page 59: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 59

LRAR-T2: Syntetická apertura (11/13)

dA f

T

1

Pro rozlišení dvou cílů musí být SAR data ukládána (doba apertury):

a délka L pak musí být:

odtud pro rozlišení platí v podélném směru platí:

0

0

sin

D

RTvL A

0

0

sin22

L

RDSARH

Příklad 14:----------------------------------------------------------------------------------------------------------SAR instalovaný na stratosférickém průzkumném letadle s výškou letu 25 km pracuje na kmitočtu 1,5 GHz. Rozměry apertury antény v obou souřadnicích (příčná i podélná) jsou 2 m. Úhel snímání je 45°, délka pulsu 1 s a rychlost letadla je 800 km/h. Určete šířku snímaného pásu a rozlišení na povrchu, je-li doba apertury SAR 0,2 s.----------------------------------------------------------------------------------------------------------

Page 60: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 60

LRAR-T2: Syntetická apertura (12/13)

m11345sin4,442

2,0104,35

sin2

3

0

0

L

RSARH

m/s2226,3/800km/h800 v Vlnová délka:

m4,442,0222 ATvL

Rychlost pohybu:

Radiální dálka:

m2,0105,1

1039

8

TXf

c

km4,3545sin

1025

sin

3

0

00

hR

Šířka pásu: km545cos2

104,352,0

cos

30

VV L

RW

Příčné rozlišení: m21245sin2

101103

sin2

68

pV

c

Podélné rozlišení bez SAR: km54,32

2,0104,35 30

HH L

R

Podélná délka syntetické apertury:

Podélné rozlišení se SAR:

HL

Page 61: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 61

LRAR-T2: Syntetická apertura (13/13)

SAR systémy (komprese LFM, 1-30 GHz)

Průzkum Země (oceánografie, monitoring ledu a sněhu, měření znečištení, těžařství, klasifikace terénu, mapování) s rozlišením i pod 10 m

AIRBORNE – (první 1953, Godyear research, na DC-3, 930 MHz), AIRSAR (NASA JPL), YSAR

SPACEBORNE

RADARSAT (Kanada)

ERS (ESA – European Remote Sensing)

ENVISAT (ESA 2002 - studium změn v životním prostředí, včetně globálního oteplování a tání ledovců)

Page 62: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 62

LRAR-T2: Sekundární radar (1/8)

SSR (Secondary Surveillance Radar)

Aplikace v ATC, pozemní systém je dotazovačem (Interrogator) , palubní systém automatickým odpovídačem (Transponder), vojenské módy IFF (Identification Friend – Foe)

Odpovědi obsahují základní identifikační údaje a aktuální měřené letové parametry

IM modulace

Uplink 1030 MHz, vert. polarizace

Downlink 1090 MHz, vert. polarizace

Page 63: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 63

LRAR-T2: Sekundární radar (2/8)

Dvousvazkový anténní systém dotazovače

Měření azimutu

Odpovědi pouze od odpovídačů v daném azimutálním směru

Page 64: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 64

LRAR-T2: Sekundární radar (3/8)

Mód „A“ = ID odpovídače, resp. číslo letu

Page 65: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 65

LRAR-T2: Sekundární radar (4/8)

Odpověď v módu „A“

Číslo letu tvoří čtyři oktalové cifry (00008 – 77778 , tj. 4096 kombinací – pro lety nad Evropou přidělováno Eurocontrolem

Speciální kódy:

75008 - únos

76008 – ztráta spojení

77008 - nouze

Page 66: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 66

LRAR-T2: Sekundární radar (5/8)

Mód „C“ = barometrická výška letadla

Barometrické měření ve stovkách stop s korekcí

Hodnota kódována tzv. Gillhamovým kódem

Rozsah -1000 až 126750 ft.

SPI (Special Pilot Identification) – aktivuje pilot na 20 s po žádosti řídícího ATC

Page 67: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 67

Odpověď v módu „C“

LRAR-T2: Sekundární radar (6/8)

Gillhamův kód

Page 68: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 68

LRAR-T2: Sekundární radar (7/8)

Mód S (Adresný nebo všeobecný dotaz)

Z módu S se vyvinul systém ADS-B (Automatic dependent surveillance-broadcast)

Page 69: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 69

LRAR-T2: Sekundární radar (8/8)

ADS-B

DF – zdroj dat AA – aircraft address ME – parametry (poloha z

GPS, rychlost, výška z výškoměru)

Page 70: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 70

Monostatický radar – jeden RX/TX systém

Bistatický radar – vysílač a přijímač rozdělen = poloaktivní radar

LRAR-T2: Bistat. a multistat. radary (1/10)

Hustota vyzářené energie v prostoru cíle:

21

21 44 r

GP

r

EIRP Atxtxtxtar

Page 71: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 71

LRAR-T2: Bistat. a multistat. radary (2/10)

Výkon sekundárního záření (odrazná plocha je dána odrazivými vlastnostmi cíle pro směr příchodu elmag. vlny od vysílače a odrazu k přijímači):

avtartarP

Page 72: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 72

LRAR-T2: Bistat. a multistat. radary (3/10)

Hustota odražené energie v oblasti přijímací antény radaru:

22

21

24 rr

GP avAtxtxrx

Výkon odraženého signálu na výstupu antény na přijímací straně:

22

21

3

2

4 rr

GGPP ArxavAtxtx

rx

Page 73: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 73

LRAR-T2: Bistat. a multistat. radary (4/10)

pW896,0101504

03,01001010

4 433

2245

43

22

r

GPP avAradtx

rx

Příklad 15:

----------------------------------------------------------------------------------------------------------Určete přijatý výkon pro monostatický primární radar na vlnové délce 3 cm s výkonem 100 kW pro cíl ve vzdálenosti 150 km, přičemž anténa má zisk 40 dB a uvažované cíle mají efektivní odraznou plochu 100 m2. Určete požadovaný výkon pro stejný případ s bistatickým uspořádáním, pro cíl ve vzdálenosti 150 km od vysílače a 50 km od přijímače. Neuvažujte polarizační ztráty.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

pW06,81050101504

03,0101001010

4 23233

2445

22

21

3

2

rr

GGPP ArxavAtxtx

rx

Page 74: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 74

LRAR-T2: Bistat. a multistat. radary (5/10)

Konstantní SNR pro cíle na Cassiniho oválech

a

rre

221

kdee je faktor elipticityr1 je vzdálenost mezi cílem a

vysílačem r2 je vzdálenost mezi cílem a

přijímačema je základna, tj. vzdálenost me-

zi vysílačem a přijímačem

Lepší energetická bilance než u monostatického radaru

Přijímací strana je rádiově neaktivní (utajení)

Page 75: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 75

LRAR-T2: Bistat. a multistat. radary (6/10)

Multistatický radar – více TX (může to být i nezávislý systém) a více RX

Jako vysílače mohou být využity vysílače pro jiné účely (komerční služby, BTS, televizní vysílače apod.) – pasivní systém

Page 76: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 76

LRAR-T2: Bistat. a multistat. radary (7/10)

Směroměrný systém – Theta – theta, nebo AOA (Angle of Arrival)

Je třeba znát jak směr svazku vysílače, tak i přijímače.

Pro 2D určení polohy možno použít dva přijímače a definovat jejich směry svazků, vysílač pak může být nezávislý, všesměrový.

Přijímací antény musí mít úzký svazek vyzařovací charakteristiky .

Page 77: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 77

LRAR-T2: Bistat. a multistat. radary (8/10)

Eliptické měření

Po určení úhlů, přechází řešení na směroměrné

nrn

ntnrnn ar

arr

2

cos222

Pro n-tý smě-rový kosinus platí:

Page 78: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 78

LRAR-T2: Bistat. a multistat. radary (9/10)

Příklad 16:

----------------------------------------------------------------------------------------------------------Určete úhel příjmu pro bistatický radar, je-li základna 150 km, vzdálenost od vysílače k cíli 125 km a od cíle k přijímači 30 km.

----------------------------------------------------------------------------------------------------------

864,0150302

15012530

2cos

222222

ar

arr

r

tr

24,30864,0arccos

Page 79: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 79

LRAR-T2: Bistat. a multistat. radary (10/10)

Hyperbolická měření – TDOA (Time Difference of Arrival)

Není potřeba znát polohu vysílače, přijímací stanice jsou synchronizovány nebo je zajištěn komunikační spoj mezi stanicemi s definovaným zpožděním přenosu.

Page 80: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 80

Pasivní radar je vždy založen na multistatickém přístupu

LRAR-T2: Pasivní radar (1/6)

Směroměrný systém (Kopáč 1959, Borap) – měření směru příchodu signálu AOA z min. dvou stanic – interferometrické metody měření – anténní pole

Časoměrný systém (Tamara, Vera)

TDOA – měření časového rozdílu příchodu signálu – více TX + jeden RX nebo jeden TX + více RX nebo více TX + více RX

Page 81: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 81

LRAR-T2: Pasivní radar (2/6)

Více TX (nezávislé – např. TV vysílač) + jeden RX, který vyhodnocuje jak zpoždění signálů od cíle, tak i od vlastních vysílačů

PCL systémy = Passive Coherent Location

Nevýhodou jsou ne-optimální autokore-lační vlastnosti vysí-laných signálů, mož-nost instalace vlast-ních vysílačů

Page 82: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 82

LRAR-T2: Pasivní radar (3/6)

Jeden TX (nepřítel) + 4 x RX = 3D TDOA (inverzní princip k GPS)

Page 83: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 83

LRAR-T2: Pasivní radar (4/6)

VĚRA

Dosah systému je 400 až 500km v úhlovém sektoru větším než 120°C.

Typické rozmístění bočních stanic je 15 až 40 km od centrální stanice.

Ověřená stacionární přesnost měření ve vzdálenosti kolem 100 km je u systému VĚRA řádově desítky metrů a prostorově závisí na poloze letounu.

Přesnost určení barometrické výšky je 30m.

Nynější programové vybavení umožňuje sledovat až 300 letounů současně.

Page 84: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 84

LRAR-T2: Pasivní radar (5/6)

VĚRA-A

Dokáže pokrýt celé území ČR.

Určena pouze pro sledování provozu pro civilní účely

Komunikace mezi stanicemi není širokopásmová (pracuje na f = 1090 MHz).

VĚRA-S/M

Na rozdíl od verze A dokáže díky analýze přijímaného signálu určit typ objektu a jeho funkční režim.

Komunikace mezi stanicemi je širokopásmová (f = 1 GHz až 18 GHz).

Page 85: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 85

LRAR-T2: Pasivní radar (6/6)

Mobilní RX stanice VĚRA

Page 86: TUTORI Á L  2

2.11.2013 Radiolokační a radionav. systémy strana 86

Děkuji za vaši pozornost

Tatra s výsuvným anténním systémem Tamary