Pasivní Koherentní Lokace Duben 2008
Obsah Koncepce systému PCL Princip Bistatický radar Problémy Základy zpracování PCL signálů Eliminace clutter Vzájemná funkce neurčitosti Detekce cílů Asociace měření Transformace do 3D prostoru Vedení cílů 2
Koncepce systému Jeden nebo několik vysílačů (FM, TV, GSM, atd.) ozařuje svým signálem cíl, přijímač monitoruje odražené signály a porovnává je se signálem přímým systém založen na principu bistatického radaru 3
Koncepce systému Bistatický radar l + L l = r1 + r2 ; a = 2 L e = ; b = a e 2 2 2 v e da c = 2 = fd dt f Sledované veličiny zpoždění mezi přímým a odraženým signálem (množina všech možných bodů splňující konstantní zpoždění = elipsa eliptická vzdálenost) Dopplerův frekvenční posun derivace eliptické vzdálenosti normálová složka rychlosti cíle (kolmá na tečnu elipsy) 4
Koncepce systému Určení polohy cíle měřením směru příchodu signálu Použití fázových anténních řad Těžko realizovatelný všesměrový systém 5
Koncepce systému Určení polohy cíle triangulací (stanovením průsečíku elips) Možno realizovat všesměrový systém Problém s asociací cílů při přepočtu z eliptických do Kartézských souřadnic 6
Koncepce systému Výkonová bilance Poměr SNR Pr P n = ( 4π ) 2 Pt λ σ B 3 2 2 1 2 0 r r kt BF U PCL je z hlediska dosahu systému důležitější spíše poměr přímý/odražený signál Pe P d 1 4π σ L B 2 ( r r ) Kromě signálů odražených od pohybujících se cílů, na anténu přijímače dopadají rovněž signály odražené od statických cílů clutter (budovy, odrazy od země, atd.) Zpracování signálů pod šumem = 1 2 2 integrační zpracování 7
Koncepce systému Nutné podmínky pro správnou funkci PCL Přímý a odražené signály nelze vzhledem k jejich velké dynamice zpracovávat jako jednu směs signálů, proto existují oddělené větve pro příjem přímého a odraženého signálu Musí být dodržena koherence všech kanálů Musí být dodržena korelovanost všech kanálů (všechny prvky přijímacího řetězce musí vykazovat stejné vlastnosti ve všech kanálech) V kanálech pro příjem odrazů je nutné odstranit přímý signál Je nutné odstranit ze signálu vliv clutteru Aplikace vyspělých metod číslicového zpracování signálů 8
Signály z antény Pro každý element antény Eliminace clutteru Aplikace přizpůsobeného filtru Detekce cílů (plot) Jednou pro každý vysílač Stanovení směru příchodu signálu Transformace SS Asociace měření Přepočet měření Vedení cílů v reálném 3D prostoru Eliminace clutteru Přizpůsobený filtr (CAF) Postupná eliminace cílů Odhad parametrů jednotlivých cílů (Vzdálenost, Doppler, Směr příchodu, Výkon,...) Ploty pro jeden kanál.. Přijímač CH 1........ CH n Reference Autokorelace Multikanálové koherentní zpracování Eliminace clutteru Přizpůsobený filtr (CAF) Postupná eliminace cílů Odhad parametrů jednotlivých cílů (Vzdálenost, Doppler, Směr příchodu, Výkon,...) Ploty pro jeden kanál Vedení v prostoru RxD Brány vedených 3D cílů...... Vedení v prostoru RxD Brány vedených 3D cílů Asociace cílů Sestavení obrazu letové situace Transformace souřadného systému Zavedení nových cílů Vedení cílů ve 3D 9 Letová situace
Eliminace clutter Clutter odrazy od předmětů s nulovým Dopplerovým posunem (budovy, terén, vodní hladiny, atd.) Leží v prostoru generovaném bází tvořenou zpožděnými referenčními signály Počet bázových vektorů závisí na maximálním zpoždění výkonově zajímavých odrazů Eliminace clutter = odstranění složek signálu ležících v prostoru generovaném bází (signál bez clutter je kolmý na všechny vektory báze) Řešení vede na velkou soustavu komplexních lineárních rovnic, Ax = b, kde A je čtvercová matice a její regularitu (závisí na modulaci referenčního signálu) nelze zaručit 10
Stanovení sledovaných charakteristik signálů (zpoždění + Doppler) Výpočet vzájemné funkce neurčitosti (CAF Cross Ambiguity Function), která je tzv. přizpůsobeným filtrem (maximalizuje poměr užitečného signálu k šumu na svém výstupu). Zpoždění (TDOA) Integrační čas CAF = vzájemná korelační funkce pro různé časové a frekvenční posuny signálů Lokální maximum v CAF (špička) svědčí o přítomnosti cíle T ( ) ( ) * ( ) j 2 ft CAF τ, f s1 t s2 t τ π = + e dt Dopplerův frekvenční posun (FDOA) 0 Přímý signál (reference), komplexní tvar Odražený signál, komplexně sdružený Velikost postranních laloků (mohou znesnadnit detekci) závisí na druhu signálu (šířka pásma, druh modulace, atd.). Z tohoto pohledu je nejvýhodnější nekorelovaný (bílý) šum, naopak deterministický charakter modulace může způsobit nejednoznačnost měření eliptických souřadnic (periodicita korelační funkce) 11
CAF pro různý modulační signál (FM vysílání) Hlas ( pomalá modulace s malou šířkou pásma) vs. hudba (rychlé změny, velká šířka pásma) 12
Výpočet CAF pomocí FFT k ( * CAF τ, = FFT s ( ) ( )) 1 n s2 n + τ, pro 0 τ τ MAX N 2. krok: FFT 1. krok: Signálový součin Pro snížení výpočetní náročnosti decimace CAF s clutter a bez clutter 13
Příklad výsledku výpočtu CAF Cíl č.1 Cíl č.3 Cíl č.2 Cíl č.4 Šumový práh zpracování Cíl č.5 Cíl č.6 Cíl č.7 Cíl č.8 Eliptické souřadnice cíle - Eliptická vzdálenost, Eliptický Dopplerův posun 14
Detekce odrazů Odrazy jsou detekovány a eliminovány postupně od nejvýkonnějšího k nejslabším, Poloha odrazu je dána vždy výkonovým maximem v CAF, Detekce jednoho odrazu zahrnuje: - odečet jeho polohy v prostoru Range x Doppler x (Azimut x Elevace), - eliminaci odrazu v CAF, odraz z CAF zmizí (odstranění hlavního i všech falešných lokálních maxim), Omezený počet iterací, Limit maximálního výkonu v CAF pro zahájení odečtu. Vedení v prostoru Range x Doppler Vyloučení falešných osamocených měření Predikce polohy cíle na několik následujících integračních intervalů 15
16
Vedení v prostoru Range x Doppler 17
Směr příchodu Více kanálové zpracování (ERA 8 kanálů) totožného frekvenčního pásma (více CAF): - lepší pokrytí sledovaného prostoru, - určení azimutu a elevace odrazu, Odraz je detekován ve více CAF s totožnou polohou Range x Doppler, ale v různé amplitudě a fázi, Konkrétní odraz lze v každé CAF parametrizovat jedním komplexním číslem, Ideální zobrazení Z z prostoru Azimut x Elevace x Polarizace do C 8, model anténních charakteristik, Hledání inverse zobrazení Z pro konkrétní odraz, detekce odrazu v menším počtu CAF, šum, Určení azimutu a elevace není příliš přesné a vždy jednoznačné, Každá změna okolí anténního systému má vliv na zobrazení Z. Nebezpečí systematických chyb. 18
Asociace měření z různých frekvenčních kanálů (různé vysílače) Odraz od téhož cíle má v CAF různých vysílačů různou RxD polohu, ale totožný azimut a elevaci, Dva stupně asociace: - přiřazení měření RxDxAxE již (v 3D) vedeným cílům, přiřazuje se podle všech z CAF odečítaných souřadnic, brány Kalmanova filtru, - asociace zbylých měření podle azimutu a elevace, Systematické chyby v určení azimutu a elevace, asociace je na rozdíl od vedení na tyto chyby méně citlivá. Přepočet primárních měření do 3D Kalmanův filtr = predikce, měřící šum, řídící šum (model pohybu cíle), brány pro primární měření, Aktualizace jednotlivých treků měřeními přiřazenými pomocí bran, Přepočet asociovaných měření do 3D (zavádění nových treků): - přímý analytický přepočet dvě elipsy rovina nebo tři elipsy, analytická geometrie v prostoru, - přeurčený přepočet v případě více než tří elips nebo v případě těsně se míjejících elips, vícerozměrné Gaussovy náhodné veličiny, Problémem je především špatná podmíněnost pro vedení a přepočty v reálném 3D, výšku cílů nelze často určit a je nutné ji volit. 19
Pasivní Koherentní Lokace Duben 2008 Děkuji za pozornost Otázky?