Pasivní Koherentní Lokace

Duben 2008

2

Obsah

Koncepce systému PCL• Princip

• Bistatický radar

• Problémy

Základy zpracování PCL signál ů

• Eliminace clutter

• Vzájemná funkce neurčitosti

• Detekce cílů

• Asociace měření

• Transformace do 3D prostoru

• Vedení cílů

3

Koncepce systému

Jeden nebo n ěkolik vysíla čů (FM, TV, GSM , atd.) oza řuje svým signálem cíl, p řijímač monitoruje odražené signály a porovnává je se signálem p římým → systém založen na principu bistatickéhoradaru

4

Koncepce systému

Bistatický radar

Sledované veli činy• 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)

1 2

2 2

;2

;2

l Ll r r a

Le b a e

+= + =

= = −

2e D

da cv f

dt f= ⋅ = ⋅

5

Koncepce systému

Určení polohy cíle m ěřením sm ěru p říchodu signálu• Použití fázových anténních řad

• Těžko realizovatelný všesměrový systém

6

Koncepce systému

Určení polohy cíle triangulací (stanovením pr ůsečíku elips)• Možno realizovat všesměrový systém

• Problém s asociací cílů při přepočtu z „eliptických“ do Kartézských souřadnic

7

Koncepce systému

Výkonová bilance• Poměr SNR

• U PCL je z hlediska dosahu systému důležitější spíše poměr přímý/odražený signál

( )2

3 2 21 2 04

t Br

n

PP

P r r kT BF

λ σπ

=

( )2

2

1 2

1

4e B

d

P L

P r r

σπ

=

• Kromě signálů odražených od pohybujících se cílů, na anténu přijímače dopadají rovněž signály odražené od statických cíl ů – clutter (budovy, odrazy od země, atd.)

• Zpracování signálů pod šumem

integra ční zpracování

8

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 vysp ělých metod číslicového zpracování signál ů

9

Pro každý element antény• Eliminace clutteru

• Aplikace přizpůsobeného filtru

• Detekce cílů (plot)

Jednou pro každý vysíla č

• Stanovení směru příchodu signálu

Transformace SS• Asociace měření

• Přepočet měření

• Vedení cílů v reálném 3D prostoru

Zpracování signál ů

Eliminace clutteru

Přizpůsobený filtr (CAF)

Multikanálové koherentní zpracování

Signály z antény

………..

Přijímač

Postupná eliminace cílů

Odhad parametrů jednotlivých cílů(Vzdálenost, Doppler, Směr

příchodu, Výkon, ...)

Sestavení obrazu letové situace

Vedení v prostoru RxD

CH 1 . . . . . . . . CH n Reference

Asociace cílů

Transformace souřadného systému

Zavedení nových cílů

. . . . . .

Ploty pro jeden kanál Ploty pro jeden kanál

Letová situace

Autokorelace Eliminace clutteru

Přizpůsobený filtr (CAF)

Postupná eliminace cílů

Odhad parametrů jednotlivých cílů(Vzdálenost, Doppler, Směr

příchodu, Výkon, ...)

Brány vedených 3D cílů

Vedení cílů ve 3D

Vedení v prostoru RxD

Brány vedených 3D cílů

10

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 Aje čtvercová matice a její regularitu (závisí na modulaci referenčního signálu) nelze zaručit

Zpracování signál ů

11

Zpracování signál ů

Stanovení sledovaných charakteristik signál ů (zpoždění + Doppler)• Výpočet vzájemné funkce neurčitosti (CAF – Cross Ambiguity Function), která je tzv.

přizpůsobeným filtrem (maximalizuje poměr užitečného signálu k šumu na svém výstupu).

• CAF = vzájemná korelační funkce pro různé časové a frekvenční posuny signálů

• Lokální maximum v CAF (špička) svědčí o přítomnosti cíle

• 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)

( ) ( ) ( )* 21 2

0

,T

j ftCAF f s t s t e dtπτ τ −= +∫

Zpoždění (TDOA)

Dopplerův frekvenční posun (FDOA)

Přímý signál (reference), komplexní tvar

Odražený signál, komplexněsdružený

Integrační čas

12

Zpracování signál ů

CAF pro r ůzný modula ční signál (FM vysílání)• Hlas („pomalá“ modulace s malou šířkou pásma) vs. hudba (rychlé změny, velká

šířka pásma)

13

Zpracování signál ů

Výpočet CAF pomocí FFT

• Pro snížení výpočetní náročnosti → decimace

CAF s clutter a bez clutter

( ) ( )( )*1 2, , pro 0 MAX

kCAF FFT s n s n

Nτ τ τ τ = + ≤ ≤

1. krok: Signálový součin2. krok: FFT

14

Zpracování signál ů

Příklad výsledku výpo čtu CAF

• Eliptické souřadnice cíle - Eliptická vzdálenost, Eliptický Dopplerův posun

Cíl č.1

Šumový práh zpracování

Cíl č.2

Cíl č.3

Cíl č.4

Cíl č.5Cíl č.6 Cíl č.7

Cíl č.8

15

Zpracování signál ů

Detekce odraz ů• 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

16

Zpracování signál ů

17

Zpracování signál ů

Vedení v prostoru Range x Doppler

18

Zpracování signál ů

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 C8, model anténních charakteristik,

• Hledání inverse zobrazení Z pro konkrétníodraz, detekce odrazu v menším počtu CAF, šum,

• Určení azimutu a elevace není příliš přesnéa vždy jednoznačné,

• Každá změna okolí anténního systému mávliv na zobrazení Z. Nebezpečísystematických chyb.

19

Zpracování signál ů

Asociace m ěření z různých frekven čních kanál ů (různé vysíla če)• 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 m ěření 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 cílůnelze často určit a je nutné ji volit.

Pasivní Koherentní Lokace

Duben 2008

Děkuji za pozornost

Otázky?