Pasivní Koherentní Lokace

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?