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 = r1 + r2 ; a = e=
l+L 2
L ; b = a 2 − e2 2
ve = 2 ⋅
da c = 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
Pt λ 2σ B Pr = Pn ( 4π )3 r12 r22 kT0 BF
• U PCL je z hlediska dosahu systému důležitější spíše poměr přímý/odražený signál
Pe 1 σ B L2 = Pd 4π ( r1r2 )2 • 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 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
Zpracování signálů Signály z antény
………..
Pro každý element antény • Eliminace clutteru
CH 1
.
.
Přijímač
. . . . . . CH n
Reference
• Aplikace přizpůsobeného filtru • Detekce cílů (plot)
Jednou pro každý vysílač Eliminace clutteru
Autokorelace
Eliminace clutteru
• Stanovení směru příchodu signálu Přizpůsobený filtr (CAF)
Přizpůsobený filtr (CAF)
Postupná eliminace cílů
Postupná eliminace cílů
Transformace SS • Asociace měření • Přepočet měření
Odhad parametrů jednotlivých cílů (Vzdálenost, Doppler, Směr příchodu, Výkon, ...)
• Vedení cílů v reálném 3D prostoru
Multikanálové koherentní zpracování
Ploty pro jeden kanál
Odhad parametrů jednotlivých cílů (Vzdálenost, Doppler, Směr příchodu, Výkon, ...)
Ploty pro jeden kanál
Vedení v prostoru RxD
Vedení v prostoru RxD
. . . . . . Brány vedených 3D cílů
Brány vedených 3D cílů
Asociace cílů
Transformace souřadného systému
Sestavení obrazu letové situace
Zavedení nových cílů
Vedení cílů ve 3D
Letová situace
9
Zpracování signálů 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
Zpracování signálů 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
Přímý signál (reference), komplexní tvar
T
CAF (τ , f ) = ∫ s1 ( t ) s ( t + τ ) e * 2
− j 2π ft
dt
0 Dopplerův frekvenční posun (FDOA)
Odražený signál, komplexně sdružený
• 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) 11
Zpracování signálů CAF pro různý modulační signál (FM vysílání) • Hlas („pomalá“ modulace s malou šířkou pásma) vs. hudba (rychlé změny, velká šířka pásma)
12
Zpracování signálů Výpočet CAF pomocí FFT
k CAF τ , = FFT ( s1 ( 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
Zpracování signálů 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
Zpracování signálů 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
Zpracování signálů
16
Zpracování signálů Vedení v prostoru Range x Doppler
17
Zpracování signálů 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 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
Zpracování signálů 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?
