Baczyk.pdf

(1182 KB) Pobierz
URZĄDZENIA I SYSTEMY RADIOELEKTRONICZNE
SOBIENIE SZLACHECKIE, 6-7 grudnia 2012
RADAR PASYWNY DZIAŁAJĄCY W OPARCIU O SYGNAŁ
NAZIEMNEJ TELEWIZJI CYFROWEJ
Marcin Kamil Bączyk, Krzysztof Kulpa, Mateusz Malanowski,
Łukasz Maślikowski, Piotr Samczyński, Adam Gorzelańczyk
Instytut Systemów Elektronicznych
Politechnika Warszawska
ul. Nowowiejska 15/19
00-665 Warszawa
Streszczenie.
W niniejszym artykule opisano zasadę działania radaru pasywnego wykorzystującego
jako źródła promieniowania nadajniki naziemnej telewizji cyfrowej. Opisano geometrię bistatyczną
dla radaru pasywnego. W artykule przedstawiono także aktualne wyniki prac prowadzonych w
Instytucie Systemów Elektronicznych w tematyce radiolokacji pasywnej z wykorzystanie danych
rzeczywistych zarejestrowanych podczas ostatnich kampanii pomiarowych.
Słowa kluczowe:
radiolokacja pasywna, sygnał naziemnej telewizji cyfrowej, DVB-T
1.
Wstęp
Radar pasywny jest systemem radiolokacyjnym, w którym wykorzystuje się
niewspółpracujące nadajniki jako źródła promieniowania oświetlającego obserwowaną scenę.
Fakt ten powoduje, iż systemy takie nie wymagają własnych nadajników, przez co są one
relatywnie tanie, znacznie mniejsze, mniej podatne na uszkodzenia i trudne do wykrycia.
Oprócz
radia
FM
[1-4]
najbardziej
popularnym
źródłem
promieniowania
wykorzystywanym w radiolokacji pasywnej jest naziemna telewizja cyfrowa DVB-T
(ang.
Digital Video Broadcasting – Terrestrial).
Szersze pasmo sygnału zapewnia lepszą
rozróżnialność odległościową, niż w przypadku radia FM. Ponadto, ze względu na fakt
wykorzystania modulacji cyfrowej, możliwe jest odtworzenie sygnału referencyjnego
z zaszumionego sygnału odebranego.
Wykrywanie obiektów w radarach pasywnych opiera się na wyznaczaniu funkcji
niejednoznaczności wzajemnej sygnałów referencyjnego i pomiarowego [1-4]. Sygnał
pomiarowy rejestrowany jest przez antenę zwróconą w kierunku badanej przestrzeni
natomiast sygnał referencyjny powinien być idealną kopią sygnału wyemitowanego. Jedną
z możliwości pozyskania sygnału referencyjnego jest jego rejestracja za pomocą anteny
kierunkowej zwróconej bezpośrednio w stronę nadajnika. Pomimo takiej konfiguracji sygnał
referencyjny jest bardzo często zniekształcony i zaszumiony. Inną możliwością jest
odtworzenie sygnału, korzystając z faktu, iż transmisja jest cyfrowa i jej błędy oraz szum
mogą zostać usunięte.
W niniejszym referacie przedstawiony zostanie sposób w jaki przetwarza się sygnały
w radarze pasywnym. Omówiona zostanie funkcja niejednoznaczności wzajemnej dla sygnału
naziemnej telewizji cyfrowej oraz zaprezentowane zostaną wyniki przetwarzania i detekcje
obiektów ruchomych.
2. Koncepcja radaru pasywnego
W radiolokacji klasycznej, tzn. przy wykorzystaniu radaru aktywnego, część nadawcza
i odbiorcza znajdują się w tym samym miejscu. Najczęściej obie wykorzystują tę samą
antenę, pracującą w trybie przełączania: nadawanie - odbiór. W takim przypadku obowiązuje
geometria monostatyczna, w której sygnał odbija się od obiektu i wraca tą samą drogą.
W radarze pasywnym odbiornik najczęściej znajduje się w innym miejscu niż
niewspółpracujący z nim nadajnik. Sytuacja taka przedstawiona została na rysunku 1.
Nadajnik Tx o współrzędnych
o współrzędnych
( ) ( ) ( )
jak i prędkość
( )
emituje sygnał, który dociera do odbiornika Rx
( )
( )
zależą od czasu. Chwilowe odległości
, a także do obiektu ruchomego Tr, którego zarówno położenie
obiektu od nadajnika i odbiornika wyrażają następujące wzory:
( )
oraz
( )
√ ( )
( )
( )
,
(2)
√ ( )
( )
( )
,
(1)
zaś odległość odbiornika od nadajnika opisuje zależność:
√
.
(3)
Odległość bistatyczna obiektu jest sumą odległości obiektu od nadajnika i odbiornika
pomniejszoną o odległość pomiędzy nimi. Wyraża się wzorem:
( )
( )
( )
.
(4)
2
Chwilowa prędkość bistatyczna definiowana jest jako zmiana odległości bistatycznej
( )
( )
.
(5)
Rysunek 1 Schemat sytuacji radiolokacyjnej z wykorzystaniem radaru
pasywnego.
Warto zwrócić uwagę, iż w geometrii bistatycznej stała odległość definiuje elipsę (we
współrzędnych XY), lub w bardziej ogólnym przypadku elipsoidę (we współrzędnych XYZ),
o ogniskach w punkach gdzie znajdują się nadajnik i odbiornik. Maksymalną prędkość
bistatyczną będą posiadały obiekty poruszające się prostopadle do wyznaczonych w ten
sposób elipsoid.
3. Etapy przetwarzania w radarze pasywnym
W trakcie przetwarzania rejestrowanych sygnałów w radarze pasywnym można
wyszczególnić następujące etapy: formowanie wiązek, usuwanie zakłóceń biernych,
wyznaczanie funkcji niejednoznaczności wzajemnej, detekcja oraz śledzenie obiektów [2].
3
3.1. Formowanie wiązki
Celem pierwszego etapu przetwarzania w radarze pasywnym jest pozyskanie wiązki
sondującej wybrany fragment przestrzeni. W ten sposób filtrujemy sygnały docierające
z innych kierunków i możliwe jest określenie kierunku przyjścia sygnału odbitego od obiektu.
Wymaganą charakterystykę wiązki można uzyskać stosując anteny kierunkowe i/lub szyki
antenowe [5]. W niniejszym artykule przyjęto, że stosowane są dwie anteny kierunkowe
wykorzystywane od obioru odpowiednio sygnału referencyjnego i pomiarowego.
3.2. Usuwanie zakłóceń biernych
W odebranym sygnale oprócz, interesujących z punktu widzenia radiolokacji, ech
obiektów ruchomych, znajdują się także sygnały docierające bezpośrednio z różnych
nadajników oraz odbite od obiektów stałych. Są to tak zwane zakłócenia bierne (ang. radar
clutter). Ich obecność w sygnale pomiarowym może utrudniać lub wręcz uniemożliwiać
wykrycie obiektów ruchomych. Do ich usunięcia w radarach pasywnych wykorzystuje się
różne algorytmy filtracji adaptacyjnej.
3.3. Wyznaczanie funkcji niejednoznaczności wzajemnej
Do wyznaczania odległości i prędkości bistatycznej obiektów w przestrzeni w radarach
pasywnych najczęściej wykorzystuje się funkcję niejednoznaczności wzajemnej sygnału
referencyjnego i sygnału pomiarowego. Funkcja ta w radiolokacji definiowana jest
w następujący sposób [6]:
(
Funkcja ta dla
postaci
poszukiwanie
w
)
∫
( )
(
)
.
przyjmuje postać funkcji korelacji wzajemnej. Dodatkowy składnik
sygnale
podobieństw
przesuniętych
w
dziedzinie
częstotliwości,
odpowiada za moduluję jednej ze składowych, przez co możliwe jest
świadczących o ruchu obiektu.
3.4. Detekcja obiektów
Następnym etapem jest detekcja obiektów. Na podstawie wyznaczonej funkcji
niejednoznaczności wzajemnej określa się pozycje hipotetycznych wykryć. Można
4
wykorzystać do tego algorytmy przeszukujące o stałym prawdopodobieństwie fałszywego
alarmu (ang.
Constant False Alarm Rate – CFAR)
[1-2].
3.5. Śledzenie obiektów we współrzędnych R-V
Wykrycia
z
kolejnych
chwil
czasowych
(obserwacji)
są
ze
sobą
wiązane
z wykorzystaniem układu śledzenia. Ze względu na możliwość wystąpienia fałszywych
wykryć, wymaga się określonej ilości potwierdzeń dla danego obiektu. Na tej podstawie
inicjalizuje się trasy, które odpowiadają trajektorii obiektów we współrzędnych bistatycznych
tj. odległości i prędkości bistatycznej [2].
3.6. Śledzenie obiektów we współrzędnych X-Y-Z
Na podstawie pomiarów tras wielu trójek nadajnik – obiekt – odbiornik we
współrzędnych
bistatycznych
możliwe
jest
wyznaczenie
trasy we
współrzędnych
kartezjańskich (geograficznych) [7-9].
4. Sygnał DVB-T i jego funkcja autokorelacji wzajemnej
W radiolokacji pasywnej do oświetlania obiektów w przestrzeni wykorzystuje się
rozmaite źródła promieniowania. O ich przydatności decydują przede wszystkim moc
wypromieniowywanej fali elektromagnetycznej, szerokość pasma, częstotliwość nośna. Nie
bez znaczenia jest charakter emitowanego sygnału [10, 11].
Moc wypromieniowywana przez nadajnik wpływa na zasięg radaru. Szerokość pasma
jest istotna z punktu widzenia rozróżnialności odległościowej, zaś od częstotliwości nośnej
zależy tłumienie fali w atmosferze. Charakter sygnału jest ważny przy wyznaczaniu funkcji
autokorelacji wzajemnej. Wszelkiego rodzaju stałe, okresowo powtarzające się fragmenty
sygnału mogą wprowadzać niejednoznaczności w określaniu odległości i prędkości obiektów,
jak również powodować pojawienie się fałszywych alarmów. W szczególności mogą
występować stałe miejscowe maksima, utrudniające lokalizację rzeczywistych obiektów.
Szumowy
charakter
sygnału
zapewnia
wąskie
maksimum
wyznaczanej
funkcji
niejednoznaczności wzajemnej oraz niski poziom listków bocznych.
Na rysunku 2 przedstawiona została funkcja niejednoznaczności wzajemnej dla
przykładowego rzeczywistego sygnału DVB-T. Pomimo stosunkowo krótkiego czasu
integracji (300 ms), ze względu na szerokie pasmo (7.6 MHz), wartość maksimum głównego
prążka jest wyższa niż w przypadku sygnału radia FM, gdzie stosunek maksimum do listków
5

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin