CC BY
20
Mr Slobodan Simić,
kapetan, dipl. inž.
Vojna akademija, Beograd
DETEKCIJA I PROCENA PARAMETARA NEPOZNATIH RADARSKIH SIGNALA S PROŠIRENIM SPEKTROM
UDC: 621.396.96/.97
Rezime:
U ovom radu je presretanje radarskih signala s proširenim spektrom upoređeno sa presretanjem konvencionalnih impulsnih radarskih signala. Prema literaturi [1-3] i iz izlo-ženih primera može se zaključiti da novi presretački prijemnici moraju imati poboljšanu ose-tljivost za 10-30 dB, kako bi uspešno konkurisali novim radarskim sistemima s malom vero-vatnoćom presretanja. Jedan od načina na koji se to može postići jeste upotreba vrlo usme-renih antena, s visokim dobitkom. Digitalna obrada signala je drugi način poboljšanja ose-tljivosti. U radu je prikazan pregled postojećih algoritama za detekciju i procenu parameta-ra nepoznatih radarskih signala sa proširenim spektrom. Dve najznačajnije grupe algoritama su: koherentne metode (pre-detection processing) i kroskorelacione metode (interferome-tarske).
Ključne reči: LPI radar, osetljivost prijemnika, procesno pojačanje, TB proizvod.
DETECTION AND PARAMETER ESTIMATION OF SPREAD SPECTRUM RADAR SIGNALS IN NON-COOPERATIVE CONTEXT
Summary:
In this paper the specialties in interception of spread spectrum radar signals are exposed in regard interception of conventional pulsed radar signals. According to [1-3] and exposed examples it follow that future intercept receivers need 10-30 db selectivity enhancement to cope with modern LPI radar systems. One way is to use narrow beam, high gain antennas. Another way is trough signal processing. There is a review of existing algorithms in detection and parameter estimation of spread spectrum radar signals in non-cooperative context. Coherent methods and cross-correlation methods are put in the focus.
Key words: LPI radar, receiver sensitivity, processing gain, TB product.
Uvod
Većina konvencionalnih radara radi na impulsnom principu, koristeći kratkotrajne impulse, sa relativno visokom vršnom sna-gom, da bi se dobio jasan odziv na signal reflektovan od cilja u klateru. Za vojne pri-mene neophodno je povećati robustnost i otpornost radara u složenom elektromagnet-nom okruženju koje karakteriše postojanje namernih i nenamernih smetnji koje sma-njuju projektovane mogućnosti radara.
Projektanti radara razmatraju nove tehnike sinteze talasnih oblika koje pru-žaju iste mogućnosti u pogledu detekcije ciljeva, ali ih je teže presresti. U literaturi se ovakvi radari nazivaju LPI (Low Probability of Intercept). Oni pokušavaju da detektuju ciljeve na većem rastojanju ne-go što presretački prijemnik može da de-tektuje radar. Smanjenje detektabilnosti znači da LPI tehnike zahtevaju širokopo-jasne modulacije. Širenje spektra radar-skog signala ostvaruje se: frekvencijskim
50
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.
skakanjem, kontinualnom promenom fre-kvencije (čip), modulacijom direktnom sekvencom i kombinacijom prethodna tri načina. S tačke gledišta presretača, sa-dašnja i buduća upotreba LPI tehnologije zahtevaju nove pristupe detekciji i pre-sretanju ovih tipova radarskih signala.
Sofisticirani digitalni prijemnici ko-riste prostorno-vremensko-frekvencijske i korelacione tehnike, organizuju priku-pljene podatke radi analize i generisanja ometačkog signala. Projektovanje novih ometačkih tehnika i procena karakteristi-ka protivničkog radarskog sistema zahte-vaju nove teorijske pristupe i brojne si-mulacije i modelovanja. Dakle, LPI rada-ri koriste tehnike proširenog spektra koje im obezbeđuju dovoljno procesno poja-čanje za upotrebu talasnih oblika otpor-nih na presretanje.
Za razliku od konvencionalnih ra-dara koji rade s visokim odnosom sig-nal/šum na ulazu u detektor, nivo LPI ra-darskog signala na ulazu u radarski de-tektor znatno je ispod nivoa šuma (SNRr<-40 dB) [1]. Procesno pojačanje LPI radarskog prijemnika jednako je TB proizvodu upotrebljenog talasnog oblika. Ono omogućuje LPI radaru da neutrališe „R2 prednost“ koju presretački prijemnik ima u sukobu sa konvencionalnim im-pulsnim radarom. Prema tome, konvenci-onalni presretački prijemnik može regi-strovati LPI radar samo na vrlo kratkim rastojanjima. Da bi presretački prijemnik mogao detektovati LPI radar na istom ra-stojanju kao što može detektovati kon-vencionalni impulsni radar, on mora obezbediti procesno pojačanje jednako procesnom pojačanju radarskog prijemnika. To se jedino može ostvariti ukoliko
se izoluje LPI talasni oblik i procene nje-govi parametri, kako bi se presretački prijemnik „prilagodio“ posmatranom sig-nalu. Međutim, LPI radarski signal je teško potpuno izolovati kako bi se izdvo-jila njegova obeležja. Ovaj proces dodat-no komplikuje činjenica da je LPI radar-ski signal pomešan sa impulsima kon-vencionalnih radara, čije su impulsne snage mnogo veće (do 60 dB iznad nivoa snage LPI radarskog signala).
Pored niskog nivoa snage, neodre-đenost oblika signala takođe doprinosi smanjenju verovatnoće njegovog presre-tanja. Teorijski, LPI radari koriste signa-le slične šumu, kako bi postigli „igliča-stu“ funkciju neodređenosti. Međutim, takvi talasni oblici generalno nisu povolj-ni za primene u radarima. Posebno nisu pogodni za detektovanje ciljeva s klate-rom u pozadini, jer je teško postići kom-patibilnost sa sistemom za selekciju po-kretnih ciljeva (SPC). U praksi, LPI radari koriste prilično određene talasne ob-like koji su, pored pogodnosti za radar-ske primene, pogodniji i za presretanje. Kontinualni signal sa linearnom frekven-cijskom modulacijom ustalio se kao je-dan od najpopularnijih LPI talasnih oblika. Faznokodirani talasni oblik je odne-davno u centru pažnje, zbog širokog fre-kvencijskog opsega i niskih bočnih lobova autokorelacione funkcije. Za LPI ra-dare, kao i za konvencionalne radare, vr-lo je važno da autokorelaciona funkcija primenjenog talasnog oblika ima niske nivoe bočnih lobova, kako bi se izbeglo maskiranje glavnih pikova malih ciljeva bočnim lobovima velikih ciljeva. Širina spektra, obrnuto srazmerna trajanju pod-impulsa, određuje rezoluciju po daljini.
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.
51
U radu su prikazani postojeći algo-ritmi za detekciju i procenu parametara radarskih signala sa proširenim spek-trom. Značaj algoritama iz ove grupe u procesu presretanja i ometanja LPI rada-ra je dvojak. Prvo, presretački prijemnik, pridružen ometaču, mora detektovati LPI radar. Ako LPI radar detektuje platformu na kojoj se nalazi ometač pre nego što presretački prijemnik s te platforme detektuje LPI radar, onda će efikasnost ometačkog sistema biti znatno umanjena. U suprotnom, ako ometački sistem za-počne ometanje pre nego što radar detektuje platformu na kojoj je smešten, onda će ometač moći da neutrališe LPI radar. Drugi problem u vezi s ometanjem LPI radara odnosi se na efikasnost primenje-nog ometačkog talasnog oblika. Pošto LPI radar emituje signal u vrlo širokom frekvencijskom opsegu, koristeći talasne oblike slične šumu, nekorelisani ometač-ki signal biće neefikasan, makar zauzi-mao isti frekvencijski opseg kao radarski signal. Uzrok je prilagođeni filter na stra-ni radarskog prijemnika koji će samo u slučaju pojave korelisanog signala na svom ulazu, na izlazu proizvesti uzak im-puls, znatno veće vršne snage od snage signala na ulazu u filter. Može se zaklju-čiti da ometač koji koristi kvazibeli ili impulsni šum neće imati uspeha pri ome-tanju LPI radara. Prema tome, ometač mora obezbediti određeni stepen koreli-sanosti sa LPI talasnim oblikom kako bi ometanje bilo uspešno.
Karakteristike LPI radarskog
predajnika
Konvencionalni radari koriste kohe-rentni niz nemodulisanih impulsa koji
ima nezavisnu kontrolu rezolucije po da-ljini i po Dopleru. Pored toga, prozor da-ljine, dobijen pomoću ovog talasnog ob-lika, nema bočne lobove. Osnovni nedo-statak primene koherentnog niza impulsa je visok odnos vršne snage prema sred-njoj snazi signala emitovanog iz predajnika. Srednja snaga određuje detekcionu sposobnost radara. Pri visokoj srednjoj snazi i kratkim impulsima (dobra rezolu-cija po daljini) predajnik mora obezbediti visoku vršnu snagu, što zahteva primenu vakuumskih cevi i visokih napona. S dru-ge strane, konvencionalni presretački pri-jemnik može lako detektovati emisiju s visokom vršnom snagom. Za impulsne predajnike definiše se faktor popunjeno-sti (duty cycle), dc, kao odnos srednje snage, Ps, prema vršnoj snazi, Pv:
dc = P
c P,
(1)
Faktor popunjenosti se takođe može izračunati kao:
dc = T
(2)
gde je Ti period ponavljanja impulsa (vreme između dva uzastopna impulsa), a T širina predajnog impulsa, odnosno njegovo trajanje. Tipična vrednost fakto-ra popunjenosti za osmatračke i navigaci-one radare je dc = 0,01 (srednja snaga je 1% od vršne snage). S druge strane, kod modulisanih CW signala (Continuous Wave) količnik srednje i vršne snage jed-nak je jedinici, što odgovara faktoru popunjenosti od 100%. Ova činjenica omo-gućuje predajniku da radi sa znatno ni-žom vršnom snagom, uz jednaka detekci-
52
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.
ona svojstva kao radari s koherentnim ni-zom impulsa. Da bi se očuvala rezolucio-na svojstva, ovi signali s visokim fakto-rom popune moraju biti modulisani unu-tar impulsa pomoću neke od poznatih tehnika.
Na slici 1 ilustrovano je poređenje po snazi impulsnog i CW radara. CW radari rade s niskom snagom, kontinualno raspo-ređenom, a impulsni radari s visokim vrš-nim snagama. Oba radara imaju ista detek-ciona svojstva, jer im je ukupna izračena energija jednaka (srednja snaga im je jed-naka). Ovakve CW signale teže je presreta-ti od jasno uočljivih pikova. Zbog toga LPI radari rade s visokim faktorima popune i niskim vršnim snagama. Ključ očuvanja rezolucionih svojstava je kompresija impulsa. Pojmu kompresija impulsa (Pulse Compression) u radarima ekvivalentan je pojam širenja spektra (SS - Spread Spectrum) u komunikacijama. Jedno vreme su se razvijali nezavisno, a danas čine jedin-stvenu teorijsku oblast s različitim aspekti-ma primene u konkretnim komunikacio-nim i radarskim sistemima.
U radarskoj teoriji je poznat protiv-rečan zahtev da signal istovremeno ima što širi spektar (radi postizanja što bolje rezolucije) i da što duže traje (da bismo postigli što veću energiju za datu vršnu snagu, tj. da bismo povećali domet). Kompromis između ovih zahteva može se ostvariti uvođenjem kompresije radar-skog impulsa, odnosno širenjem spektra radarskog signala. U osnovi kompresije impulsa jeste postupak unutarimpulsne modulacije signala nosioca. Termin kompresija impulsa potiče od načina rada pri-jemnika, koji modulisani niz podimpulsa ukupne dužine T na svom ulazu pretvara u uski impuls trajanja Tc na svom izlazu, uz očuvanje ukupne energije. Vršna snaga ulaznog impulsa mnogo je manja od vršne snage izlaznog impulsa, ali im je ukupna energija jednaka. U skladu s tim, LPI radarski signali mogu se dobiti sle-dećim najčešće korišćenim postupcima [1]: linearna FM (čirp), nelinearna FM (nelinearni čirp), kontinualni signal sa FM (FMCW), frekvencijsko skakanje -Kostasovi nizovi, digitalna fazna modu-
I^pulsni radar, Visoka vršna snaga, Nizak faktor popune
vre^e
Sl. 1 - Poređenje impulsnog radara i CW radara po snazi
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.
53
lacija (bifazno i polifazno kodiranje), kombinovano fazno-frekvencijsko kodiranje (PSK-FSK), pseudoslučajno kodiranje, polarizaciona modulacija.
Scenario sukoba LPI radar -
presretač - ometač
Protekli period karakteriše razvoj velikog broja impulsnih radara, samona-vođenih projektila, navigacionih i ostalih borbenih sistema u mikrotalasnom pod-ručju. Odnedavno su razvijeni noviji si-stemi koji koriste talasne oblike s viso-kim faktorom popune (HDC - High Duty Cycle) ili, pak, kontinualne talasne oblike - CW. Teži se korišćenju dugih signa-la, male vršne snage koji nove borbene sisteme čine manje ranjivim. Redukcija impulsne snage, do nivoa reda veličine srednje snage, čini težim (ne i nemogu-ćim) presretanje ovakvih sistema. Domet radara nije degradiran zahvaljujući činje-nici da ga određuje izračena energija na cilju, a ne vršna snaga. CW radari imaju vršnu snagu 30 db nižu od vršne snage impulsnih radara sa dc = 0,001. Na primer, uz trajanje impulsa 1 mikrosekunda i period ponavljanja impulsa 1 milise-kunda, faktor popunjenosti iznosiće dc = 0,001. Niža vršna snaga daje prednost ra-daru u sukobu radar - presretač.
LPI radari koriste dugotrajne talasne oblike i kompresiju impulsa. Međutim, stariji sistemi će se još uvek koristiti. Prema tome, EW sistemi moraju operisa-ti u prisustvu obe vrste signala, kratko-trajnih, s visokom vršnom snagom, i du-gotrajnih, s niskom vršnom snagom. Po-stojeći EW prijemnici su optimizirani za prethodno elektromagnetsko okruženje,
dok se od sledeće generacije EW opreme zahteva da bude osposobljena za borbu protiv novih sistema. Presretanje, odno-sno detekcija prisustva ovakvih talasnih oblika i procena njihovih parametara mora se obaviti na kvalitativno drugačiji na-čin od presretanja kratkotrajnih impulsa, s visokom vršnom snagom.
Uspešnost delovanja presretačkog prijemnika protiv LPI radara najčešće se meri faktorom uspešnosti a, koji se defi-niše kao odnos maksimalne daljine s koje presretački prijemnik može detektovati LPI radar i maksimalne daljine na kojoj radar može detektovati platformu s pre-sretačkim prijemnikom. Faktor uspešno-sti veći od jedinice (a > 1) znači da je presretač u prednosti, dok je pri vrednosti ovog faktora manjoj od jedinice (a < 1) prednost na strani radara. Da bi se anali-zirao faktor uspešnosti, odnosno utvrdili parametri radarskog i presretačkog siste-ma od kojih taj faktor zavisi, treba poći od radarske jednačine.
Snaga signala reflektovanog od cilja na ulazu u radarski prijemnik obrnuto je sra-zmerna 4. stepenu rastojanja do cilja, Rr.
s = pGTGR
S (4^)3 RR Lr
(3)
gde je:
Pi - impulsna snaga emitovanog signala; GT i Gr - dobici predajne i prijemne ra-darske antene, u pravcu glavnog snopa;
X - talasna dužina na kojoj radi radar; a - radarska refleksna površina cilja;
Lr - ukupni gubici snage signala u radar-skom sistemu.
Snaga signala koji emituje radar, na ulazu u presretački prijemnik, iznosi:
54
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.
PiGTEGE к 2
(4n)2 RE Le
(4)
gde je:
Gte - dobitak radarske antene u pravcu presretača;
Ge - dobitak antene presretačkog prijem-nika;
Le - ukupni gubici snage signala u pre-sretačkom prijemniku.
Iz izraza (4) vidi se da je snaga signala koji emituje radar, na ulazu u pre-sretački prijemnik, obrnuto srazmerna 2. stepenu rastojanja do presretačkog pri-jemnika RE. U sukobu radar - presretač, ova činjenica omogućuje prednost pre-sretaču. U literaturi se sreće i pod nazi-vom „R2 prednost“, a izraženija je pri presretanju radara većeg dometa.
Osetljivost prijemnika određuje mi-nimalni nivo snage signala na ulazu u prijemnik, pri kojoj on ispravno radi. Ko-ličnik osetljivosti presretačkog prijemnika i osetljivosti radarskog prijemnika, iz-ražen preko minimalnog potrebnog od-nosa signal/šum na ulazima presretačkog i radarskog prijemnika, SNREin i SNRRin biće:
б
Emin
Rmin
TBeFe ГSNREm л kT0BRFR fSNRRin)
(5)
gde je:
k - Bolcmanova konstanta (k = 1,38 ■ 10-23 J/K),
T0 - standardna temperatura (T0 = 290 K).
Sa BR je označena širina propusnog opsega radarskog prijemnika, i prilago-đena je širini frekvencijskog opsega koji zauzima korišćeni talasni oblik. BE ozna-čava širinu propusnog opsega presretač-
kog prijemnika, koja je, načelno, mnogo veća od širine propusnog opsega radarskog prijemnika, BE>>BR. Faktori šuma presretačkog i radarskog prijemnika označeni su sa FE i FR.
Količnik osetljivosti presretačkog prijemnika i osetljivosti radarskog prijemnika može se izraziti i preko odnosa signal/šum na izlazima iz detektora u presretačkom prijemniku i detektora u ra-darskom prijemniku, SNREout i SNRRout:
б
FeBe
FrBr
f SNReo,,, ' f PGr Л
{ SNRRout у \ PGE у
(6)
gde su PGe i PGr procesna pojačanja presretačkog prijemnika i radarskog prijemnika, pri čemu je:
PGe =SNREouL, pGR -SNRRout
SNRE
SNRR
(7)
Izražena u decibelima, u situaciji kada nema procesnog pojačanja, mini-malna potrebna snaga signala na ulazu u prijemnik predstavlja zbir snage šuma na ulazu u prijemnik, faktora šuma, zahteva-nog odnosa signal/šum na izlazu iz prijemnika. Ukoliko prijemnik ostvari odre-đeno procesno pojačanje, koje obezbeđu-je primenjivanje tehnike proširenog spektra na strani radarskog predajnika, smanjuje se nivo minimalne potrebne snage na ulazu u prijemnik, odnosno osetljivost prijemnika poboljša se za iznos ostvarenog procesnog pojačanja. Na osnovu izraza (5), ukoliko se zamene vrednosti konstanti, izrazi za osetljivost presretačkog prijemnika i osetljivost radarskog prijemnika mogu se pisati u de-cibelskom obliku kao:
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 1/2007.
55
SEmrnldB] = [-114 dBm + 10-log(Bg [MHz])]
+ Fe[cB] + SNREout- PGe[cB] (8)
SRmrn[dB] = [-114 dBm + 10-log(BR[MHz])]
+ FR[dB] + SNRRout- PGR[dB] (9)
To je ilustrovano na slici 2.
Treba primetiti da je procesno poja-čanje presretačkog prijemnika, po pravi-lu, manje od procesnog pojačanja radar-skog prijemnika. U idealnom slučaju, ka-da presretački prijemnik potpuno poznaje talasni oblik LPI radara, on može ostvari-ti procesno pojačanje jednako procesnom pojačanju radarskog prijemnika.
Maksimalna daljina presretanja po-stiže se pri nivou snage signala na ulazu jednakom osetljivosti presretačkog prijemnika, a maksimalni domet radara ka-da je nivo snage signala na ulazu jednak osetljivosti radarskog prijemnika.
R
'Emax
P,GteGe x
]l(4n)2 SmL
R
LRmax
PGtGrX o
У (4n)3 SRminLR
(10)
Ukoliko se zamene vrednosti kon-stanti, izraz (10) može se pisati u deci-belskom obliku kao:
2 REmax[dB] pi + gte + ge + 2X-dB — 22 dB — SEmin[dB]-LE[dB] (11)
4 RRmax[dB] = Pi + gt + gr + 2Д® + &clB - 33 dB - SRmin[dB]-LR[dB] (12)
Faktor uspešnosti presretačkog prijemnika definiše se kao odnos maksimal-ne daljine presretanja i maksimalnog do-meta radara i iznosi:
/ \1/2 1 4п GteGe Le
vб o GtGr Lr у
(13)
Odnos osetljivosti radarskog prijemnika i osetljivosti presretačkog prijemnika б nalazi se u imeniocu. To znači da u slučaju lošije osetljivosti presretačkog prijemnika u odnosu na osetljivost radarskog prijemnika odnos б raste, pa se smanjuje faktor uspešnosti. S druge stra-ne, faktor uspešnosti direktno je srazme-ran dometu radara RRmax, što znači da su
Re
Rr
a
Se [dB]
SEmin
Sr [dB]
i к SNREout
i к 1
PGe SNREm>0 dB
■■SNREiI1-0 dB
Fe
SNREin<0 dB
NE=kToBE
SRmin
к
1 к SNRRout PGr
i w &
ik 1 r
NR-kToBR
a) b)
Sl. 2 -Minimalna potrebna snaga signala na ulazu u: a) presretački prijemnik; b) radarski prijemnik
56
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.
radari velikog dometa pogodni za presre-tanje i ne mogu se svrstati u LPI radare bez obzira na talasni oblik koji koriste.
Ako je a<1, onda se takav radar smatra tihim radarom (quiet radar). U prethodnom, kao i u graničnom slučaju a = 1, radar ne može biti otkriven s većeg rastojanja nego što je njegov maksimalni domet. Ako je a = 1, iz (13) sledi:
R
'Rmax
d ■ S ■ Gt°R
Lr
,1/2
4 p GTEGE L
(14)
-‘E У
Izrazom (19) definisan je maksima-lan domet LPI radara, pri kojem još uvek nije moguće presretanje njegovog signala (samozaštitna daljina). To je ujedno i maksimalna daljina presretanja, Rmax = REmax = RRmax. Radi ilustracije (14) raz-motrimo presretanje jednog LPI radara po glavnom snopu (GT = GTE = 1000 od-nosno gt = gte = 30 dB) i po bočnom sno-
pu (Gte = 0,1 odnosno gte = -40 dB). Ako se zanemare gubici snage signala u radarskom prijemniku i gubici snage signala u presretačkom prijemniku (LR = LE = 1), ako se uzme u obzir presretački pri-jemnik sa izotropnom antenom (GE = 1) i pretpostavi da radarska refleksna površi-na cilja iznosi a =1 m2, dobija se zavi-snost maksimalne daljine presretanja od odnosa б, prikazana na slici 3.
Na slici se vidi velika razlika u po-trebnom odnosu osetljivosti б, neophod-na da bi maksimalna daljina presretanja ostala nepromenjena u oba slučaja presretanja, po glavnom snopu i po bočnom snopu. Na primer, zahtevani odnos ose-tljivosti б iznosi 60 dB za Rmax = 10 km u slučaju presretanja po glavnom snopu. Ako presretanje po glavnom snopu nije moguće, pa se pred presretački prijemnik postavi zahtev da presretne ovaj radar na istom rastojanju, ali po bočnom snopu (to je neophodno u situaciji kada su i radar i
Maksimalna daljina presretanja, Rmax [m]
Sl. 3 - Zavisnost maksimalne daljine presretanja Rmax od odnosa osetljivosti radarskog
i presretačkog prijemnika, б
VOJNOTEHNICKI GLASNIK 1/2007.
57
presretački prijemnik na zemlji), presre-tački prijemnik mora smanjiti odnos ose-tljivosti б sa 60 dB na 20 dB, odnosno poboljšati svoju osetljivost za 40 dB. Je-dan od načina na koji se to može postići jeste povećanje procesnog pojačanja pre-sretačkog prijemnika PGE iz (7) i (8), što je, uglavnom, teško moguće ostvariti bez sofisticiranih tehnika obrade signala.
U slučaju, na primer, presretanja po glavnom snopu (gt = 30 dB) i presretanja po bočnom snopu (pretpostavimo da radar ima antenu sa niskim bočnim lobovi-ma reda -40 dB, pa je gte = -10 dB) kon-vencionalnog impulsnog radara koji kori-sti nemodulisane impulse trajanja T = 1 ps i ne obezbeđuje prijemniku procesno pojačanje - PGR[dB] = PGE[dB] = 0 dB. Vrednosti ostalih parametara radara i presretačkog prijemnika su: X = 5 cm ^ Xb = -13 dB, SNRRout = SNREout = 12 dB, Fr = 6 dB, Fe = 6 dB, Pi = 10 kW ^ pi = 70 dBm, Br = 1 MHz, Be = 20 MHz (200 MHz, 2GHz), Le = Lr = 0 dB, a = 3 m2, ^dB = 4,77 dB, gt = gr = 30 dB, ge = 0 dB
Osetljivost presretačkog prijemnika je važna karakteristika koja se uzima u obzir pri projektovanju EW sistema. Prijemnik za presretanje radarskih signala generalno se odlikuje širokim RF opse-gom, mnogo puta većim od frekvencij-skog opsega koji zauzima radarski signal koji treba presresti. To je neophodno ka-ko bi se prevazišao problem zbog nepo-znavanja frekvencije signala nosioca iz radarskog predajnika koji treba detekto-vati. S druge strane, presretačkom prijemniku se omogućuje istovremena bor-ba protiv više različitih tipova radarskih predajnika. Sužavanjem propusnog opsega presretačkog prijemnika do minimal-ne vrednosti omogućuje mu se maksi-
malna osetljivost, ali se, istovremeno, povećava broj kanala ako je frekvencijski opseg koji treba pokriti ostao neprome-njen. Na primer, frekvencijski opseg od 16 GHz može se pokriti sa 8 podopsega od po 2 GHz, zatim se svaki od ovih po-dopsega pokriva sa po 10 novih od po 200 MHz i, na kraju, svaki od njih pokri-ven je sa po 10 novih od po 20 MHz. Ovim postupkom dati frekvencijski opseg pokriva se sa 8 x 10 x 10 = 800 kanala (channelized receiver [2]). Shodno (8) i (9) osetljivosti presretačkog i radarskog prijemnika iznosiće:
Sgmin = [—114 + 13] dBm + 6 dB + 12 dB = -83 dBm
SRmin = [—114 + 0] dBm + 6 dB + 12 dB = -96 dBm
Ukoliko se ostane na 80 kanala po 200 MHz, osetljivost presretačkog prijemnika iznosiće:
S^min = [—114 + 23] dBm + 6 dB + 12 dB = -73 dBm
U slučaju 8 kanala sa po 2 GHz osetljivost presretačkog prijemnika se dalje smanjuje i iznosi:
SEmin = [—114 + 33] dBm + 6 dB + 12 dB = -63 dBm
Ukoliko se u (11) i (12) zamene vrednosti, dobijaju se odgovarajuće dalji-ne prikazane u tabeli 1.
Razmotrimo sada modifikaciju prethodnog radara koja podrazumeva smanjenje impulsne snage predajnog signala N puta, a produženje njegovog trajanja N puta, zatim uvođenje kompre-
58
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.
sije impulsa, na primer, primenom fa-znog kodiranja signala na predaji, uz trajanje podimpulsa jednako trajanju impulsa originalnog radara. U tom slučaju rezoluciona svojstva radara se neće pro-meniti, jer se širina zauzetog frekvencij-skog opsega nije promenila. Međutim, radarski prijemnik sada može da ostvari procesno pojačanje, dok presretački prijemnik nema tu mogućnost, ukoliko se primljeni signal dodatno ne obradi ili se, pak, ne upotrebi znatno usmerenija ante-na. Na primer, primena polifazne Fran-kove sekvence, dužine N = 256 na predaji, omogućuje radarskom prijemniku da ostvari procesno pojačanje u iznosu PGR[dB] = 10 • log 10(256) = 24 dB, koje nemodifikovani presretački prij emnik ne može ostvariti, pa ostaje PGE[dB] = 0 dB. Impulsna snaga radara sada iznosi pi = 46 dBm, osetljivost radarskog prijem-nika je poboljšana za iznos procesnog pojačanja i iznosi SRmin[dB] = -122 dBm, dok se osetljivost presretačkog prijemni-ka nije promenila. Imajući to u vidu, u (11) i (12) zamenjene su vrednosti para-metara, pa su izračunate odgovarajuće daljine prikazane u tabeli 1.
Ovim postupkom ne menjaju se ni domet radara niti njegova rezoluciona svojstva, a maksimalna daljina presreta-nja se znatno smanjuje.
Radi realnijeg modela primljenog signala potrebno je izračunati odnos sig-nal/šum na ulazu u detektor presretačkog prijemnika (na izlazu iz linearnog dela prijemnika). Pošto prijemnik nema pro-blema sa detektovanjem radarskog signala po glavnom snopu u ovom slučaju, razmotrićemo odnos signal/šum u slučaju detekcije po bočnom snopu i to pri sred-njoj osetljivosti od -73 dB (prijemni ka-nal širine 200 MHz). Snaga signala na ulazu u presretački prijemnik SE računa se na osnovu izraza (4), pa je traženi od-nos signal šum p = SE /kTOBEFE . Ako u ovaj izraz zamenimo vrednosti parameta-ra, za daljine radar - presretač RE = 100 km i 200 km dobijaju se vrednosti odno-sa signal/šum prikazane u tabeli 2.
U tabeli je razmatrana i impulsna snaga radara od 1W, što je tipično za LPI radare koji koriste talasne oblike sa TB proizvodima reda 10 000 [1]. Prijemnik tog radara ostvaruje procesno pojačanje reda 40 dB, pa je moguće postići isti do-
Tabela 1
Domet radara i maksimalne daljine presretanja konvencionalnog radara i LPI radara
Impulsna snaga radara Domet radara [km] Maksimalna daljina presretanja [km]
a = 40 m2 a = 4 m2 SEmin 63 dBm SEmin = -73 dBm SEmin = -83 dBm
gl. snop b. snop gl. snop b. snop gl. snop b. snop
39 W (N = 256) dc = 0,25 42,2 23,7 35 0,35 112 11,2 350 3,5
19 W (N = 512) dc = 0,5 24 0,24 78 0,78 248 2,48
9 W (N = 1024) dc = 1 17 0,17 55 0,55 175 1,75
10 kW dc = 0,001 42,2 23,7 560 5,6 1780 17,8 5620 56,2
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.
59
Tabela 2
Vrednosti odnosa signal/šum na ulazima u detektore presretačkog prijemnika i radarskog prijemnika za različite daljine radar - presretač i različite impulsne snage radara
Impulsna snaga radara
10 kW 39 W 19 W 9 W 1 W
SNREin [dB] Re = 25 km 39 dB 15 dB 12 dB 8,5 dB -1 dB
Re= 100 km 27 dB 3 dB 0 dB -3,5 dB -13 dB
Re = 200 km 21 dB -3 dB -6 dB -10 dB -19 dB
SNRRin [dB] 2 a= 4 m2 Rr= 25 km 9 dB -15 dB -18 dB -21 dB -31 dB
met kao sa prethodno pomenutim verzi-jama, koji iznosi oko 25 km za cilj efek-tivne radarske površine a = 4 m2. Među-tim, u ovakvim radarima treba izvršiti veoma složenu obradu signala, pa su oni u praksi još uvek malobrojni.
Metode detekcije i procene para-
metara LPI radarskih signala
Iz izloženih primera može se zaklju-čiti da novi EW prijemnici moraju imati poboljšanu osetljivost za 10-30 dB, kako bi se uspešno nosili s novim LPI sistemi-ma. Jedan način kojim se to može postići je upotreba vrlo usmerenih antena, s vi-sokim dobitkom. Tom prilikom javlja se problem zbog toga što su neophodni brojni prijemni kanali kako bi se pokrio dati uglovni sektor. Broj prijemnika i antena jednak je dobitku antena, što znači 10-1000. Digitalna obrada signala je drugi način poboljšanja osetljivosti. Na-čelno, postoje dve strategije EW prijemnika. Prva od njih je detektovanje LPI radarskih talasnih oblika, pri kojem se ko-risti samo energija primljenog signala. Prednost ove strategije je činjenica da performanse detektora uglavnom ne za-vise od talasnog oblika. Druga strategija
je detektovanje bazirano na specifičnosti-ma radarskog signala, čime se postiže ve-ća efikasnost. Međutim, uvođenje agilnih parametara na strani predajnika može smanjiti efikasnost ove strategije. U skla-du sa definisanim strategijama, metode digitalne obrade signala, razvijene u ovu svrhu, dele se na tri osnovne grupe:
- nekoherentne metode (radiome-tar), koje koriste srednju snagu primljenog signala, dobijenu usrednjavanjem na intervalu reda trajanja integracije u radar-skom prijemniku (reda milisekundi). Ovim metodama signal se ne obrađuje pre detektora ovojnice, već nakon njega (post-detection processing). Na taj način moguće je ostvariti procesno pojačanje 10-15 dB;
- koherentne metode, koje koriste „skoro prilagođene“ filtere. Primer je Wigner-Houghova transformacija za LFM signale [6]. Termin „koherentan“ govori da se signal obrađuje pre detektora ovojnice (pre-detection processing). Metode iz ove klase obezbeđuju procesno pojačanje 10-25 dB;
- kroskorelacione metode (interfe-rometar), kao poseban oblik koherentnih metoda, koje zahtevaju dva kanala sa dve antene (antenski niz).
60
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.
Metode koherentne detekcije
Otkako se koriste novi širokopojasni talasni oblici, LPI radari pokušavaju da onemoguće proces detekcije i demodula-cije u EW prijemnicima, od kojih se, s druge strane, zahteva veliko procesno po-jačanje da bi se detektovala LPI emisija i procenili parametri signala. Procena para-metara je neophodna radi kasnije klasifi-kacije radara. Pri klasifikaciji se zahteva sortiranje signala u grupe sa sličnim para-metrima (klasterizacija). Frekvencija signala nosioca, širina frekvencijskog opse-ga, period ponavljanja impulsa, tip modu-lacije, trenuci nailaska signala, samo su neki od parametara po kojima se jedan signal razlikuje od drugog. Kada se obavi korelacija procenjenih parametara s para-metrima signala iz baze podataka (identi-fikacija), može da se pređe u režim praće-nja signala, a zatim da se definiše i spro-vodi optimalna strategija ometanja otkri-venog LPI radara.
Kao osnovna alatka za procenu pa-rametara predajnika, na početku je koriš-ćena Furijeova analiza zasnovana na FFT-u. Iz ove osnovne alatke izvedene su druge, kompleksnije tehnike obrade signala, kao što su STFT (Short-Time Fourier Transform), čiji je cilj praćenje parametara signala tokom vremena. Sa povećanjem računskih mogućnosti digi-talnih procesora u prijemnicima, razvije-ne su sofisticiranije tehnike, vremensko--frekvencijske i bifrekvencijske distribu-cije, koje omogućuju prepoznavanje ra-znovrsnih modulacionih tehnika koje koriste LPI radari. Ove tehnike uključuju Wignerovu distribuciju i njene izravnate verzije [4, 6, 12], statistike višeg reda [8], QMF banke [9] i ciklostacionarnu analizu [10].
Na slici 4 prikazana je opšta šema ES prijemnika koji detektuje i klasifikuje LPI radarske signale pomoću vremensko-fre-kvencijskih transformacija (VFT). Signal se preslikava iz vremenskog domena (jed-
Wideband Ь I
Digital Transform Mb Signal Ll' Information Extract I
^Receiver [дј Detect U |
/
waveform
description
FM Detection
Information Extract I " 'Classification ' identification
Sl. 4 - Detekcija i klasifikacija LPI radarskih signala pomoću vremensko-frekvencijskih transformacija
\
parametric
description
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.
61
nodimenzionalni) u vremensko-frekvencij-ski domen (dvodimenzionalni). Na taj na-čin šum se „razliva“ u vremensko-frekven-cijsku ravan, dok se signal koncentriše oko tačaka koje predstavljaju vremensku loka-lizaciju njegovih spektralnih komponenata. Ove tačke biće istaknute u odnosu na tačke koje potiču od šuma i pri niskim odnosima signal/šum (reda -10 dB), pa je za detekci-ju i estimaciju parametara signala moguće efikasno primeniti neki od algoritama iz oblasti digitalne obrade slike. Ukoliko se radi o FM signalu, tačke koncentracije signala grupišu se u linije, pa algoritmi za de-tekciju pravih linija u slici, Houghova ili Radonova transformacija, daju dobre re-zultate pri detektovanju ovakvih signala i procene njihovih parametara [6, 7].
Rekonstrukcija signala nakon detek-cije i procene njegovih parametara, od-nosno projektovanje prilagođenog filtera, poznato je u literaturi kao „deramping“. U radu [4] opisan je ovaj postupak za li-nearni FM signal, dok je opštiji metod predložen u [5]. Da bi sintetički signal mogao da se upotrebi za ometanje LPI radara, on mora biti dobro korelisan sa
originalnim talasnim oblikom. To znači da parametri signala treba da budu preci-zno procenjeni. U algoritmima zasnova-nim na vremensko-frekvencijskim tran-sformacijama tačnost procene parametara signala određuju rezolucija (po vremenu i frekvenciji) i interferencij a. Linearne VFT (spektrogram, skalogram) jedno-stavno se izračunavaju, ne sadrže kros-komponente, ali imaju lošiju rezoluciju od kvadratnih VFT čije izračunavanje je složenije. S druge strane, kvadratne VFT sadrže kroskomponente kojih nema u ori-ginalnom signalu. Ravnanjem (smoothing) Wignerove distribucije dobijaju se brojne druge kvadratne VFT sa manje iz-raženom interferencijom, ali i lošijom re-zolucijom od WD.
Kroskorelacione metode
Na slici 5 prikazana je uopštena blok-šema kroskorelacionih (interferome-tarskih) metoda. Dakle, zahtevaju se dva prijemna kanala s dve antene, a metode se zasnivaju na činjenici da su šumovi iz dva različita prijemna kanala međusobno ne-
62
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.
korelisani. Efikasnost ovih algoritama ne zavisi od tipa modulacije [3, 11]. Podjed-nako su efikasni i za fazno kodirane i za frekvencijski modulisane radarske signa-le. Ove metode obezbeđuju procenu ugla dolaska radarskog zračenja, učestanosti signala nosioca i širine frekvencijskog op-sega. Što je veći TB proizvod analizira-nog signala, to je algoritam uspešniji, jer je izraženiji pik u kroskorelaciji, ali je u tom slučaju izračunavanje algoritma slo-ženije. Nedostatak predstavlja nemoguć-nost prepoznavanja tipa modulacije i zah-tevna obrada signala. Pri velikim TB pro-izvodima, sa trenutno raspoloživim har-dverom nije moguće izračunati kroskore-laciju (širokopojasna kroskorelacija) u re-alnom vremenu [3].
Zaključak
U sukobu konvencionalnog impuls-nog radara i presretačkog sistema, pre-sretački prijemnik nema problem pri de-tektovanju radara s velikih udaljenosti po glavnom snopu, a često i po bočnim sno-povima radarske antene. Razlog je činje-nica da radar mora emitovati signale do-voljno velike impulsne snage da bi se oni mogli detektovati i nakon refleksije od cilja. To znači da elektromagnetski talas razdaljinu između radara i cilja prelazi dvaput, dok se propagacija između radara i presretačkog prijemnika obavlja sa-mo jednom. Faktor uspešnosti presretača a definiše se kao količnik maksimalne daljine presretanja i maksimalnog dome-ta radara, a = REmax/RRmax. Ovaj faktor je direktno srazmeran maksimalnom dome-tu radara, a obrnuto srazmeran odnosu osetljivosti presretačkog i radarskog pri-jemnika. Zaštićenom zonom naziva se
deo prostora iz kojeg presretački prijem-nik može detektovati radar, dok radar ne može detektovati platformu na kojoj je smešten presretački sistem. Granicu zaš-tićene zone određuje jedinični faktor us-pešnosti presretača, a = 1.
LPI radari pokušavaju da smanje faktor uspešnosti presretača, do vrednosti što niže ispod jedinice. U tom slučaju radar je u prednosti, jer može detektovati platformu s presretačkim prijemnikom na većem rastojanju nego što presretač mo-že detektovati radar (to see and not be seen). To je moguće postići ukoliko se upotrebe talasni oblici s velikim vredno-stima TB proizvoda, koji radarskom pri-jemniku omogućuju ostvarivanje velikih vrednosti procesnog pojačanja (40 dB), jer se tako povećava osetljivost radarskog prijemnika. S druge strane, to do-pušta radarskom predajniku da radi s ni-skim vršnim snagama, a da se ne degra-diraju performanse radara. Ukoliko pre-sretački prijemnik ne ostvari dovoljno procesno pojačanje, maksimalna daljina presretanja biće znatno smanjena. Dakle, da bi se presretački prijemnik uspešno nosio sa ovakvom vrstom radara, on mora ostvariti određeno procesno pojačanje.
Istraživanja se, načelno, kreću u dva pravca. Prvi podrazumeva upotrebu vrlo usmerenih antena, sa visokim dobitkom. Problem koji se tom prilikom javlja jeste potreba za velikim brojem prijemnih ka-nala, kako bi se pokrio dati uglovni sek-tor. Broj prijemnika i antena jednak je dobitku antena, što znači 10-1000. Drugi način poboljšanja osetljivosti postiže se kroz digitalnu obradu signala.
Načelno, postoje dve strategije EW prijemnika. Prva od njih podrazumeva de-tekciju LPI radarskih talasnih oblika, kada
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.
63
se koristi samo energija primljenog signa-la. Prednost ove strategije je činjenica da performanse detektora uglavnom ne zavi-se od talasnog oblika. Druga strategija podrazumeva detekciju baziranu na speci-fičnostima radarskog signala, čime se po-stiže veća efikasnost. Međutim, uvođenje agilnih parametara na strani predajnika može smanjiti efikasnost ove strategije.
U skladu sa definisanim strategija-ma, metode digitalne obrade signala, raz-vijene u ovu svrhu, dele se na tri osnovne grupe: nekoherentne metode (radiometar-ske), koherentne metode (pre-detection processing) i kroskorelacione metode (interferometarske).
Izvršena je uporedna analiza karak-teristika dve najvažnije grupe algoritama: grupe koherentnih metoda i grupe kro-skorelacionih metoda. Na osnovu izvrše-ne analize zaključeno je da koherentne metode omogućuju procenu šireg skupa parametara u odnosu na kroskorelacione metode. Međutim, primenom kroskorela-cionih metoda na LPI radarske signale ostvaruje se veće procesno pojačanje pri detekciji u odnosu na primenu koherent-
nih metoda. Ono je utoliko veće što je TB proizvod analiziranog signala veći.
Literatura:
[1] Pace, P. E.: Detecting and Classifying Low Probability of Intercept Radar, Artech House, Norwood, M. A, USA, 2004.
[2] Schleher, D. C.: Electronic Warfare in the Information Age, Artech House, Norwood, MA, USA, 1999.
[3] Wiley, R. G.: The Future of EW and Modern Radar Signals, Proc. of IEEE AESS, November, 2004.
[4] Ong, P. G., Teng, H. K.: LPI Radar Detector, M.S. Thesis, Naval Postgraduate School, Monterey USA, March, 2001.
[5] Cornu, C., Ioana, C., Quinquis, A.: Characterization of LPI Waveforms using Polynomial Phase Signal Modeling, International Conference on Radar Systems, RADAR 2004.
[6] Moriatakis, M. P. F.: Feature Extraction of Intra-Pulse Modulated Signals using Time-Frequency Analysis, Proc. of IEEE.
[7] Jennison, B. K.: Detection of Polyphase Pulse Compression Waveforms using the Radon-Ambiguity Transform, Proc. of IEEE AESS, Vol. 39, No 1, January, 2003.
[8] Taboada, F. L.: Detection and Classification Of Low Probability Of Intercept Radar Signals Using Parallel Filter Arrays and Higher Order Statistics, M. S. Thesis, Naval Postgraduate School, Monterey USA, September, 2002.
[9] Farrell, T. and Prescott, G.: A Nine-Tile Algorithm for LPI Signal Detection Using QMF Filter Bank Trees, Proc. of IEEE MILCOM, 1996.
[10] Lima, A. F., Jr.: Analysis of low probability of intercept radar signals using cyclostationary processing, M. S. Thesis, Naval Postgraduate School, Monterey USA, September, 2002.
[11] Houghton, A. W., Reeve, C. D.: Spread Spectrum Signal Detection using a Cross Correlation Receiver, VI International Conference of Radio Receivers and Associated Systems, September 1995, Bath, UK.
[12] Simić, S., Zrnić, B.: Primena Vignerove distribucije u di-gitalnoj obradi radarskih signala, Naučnotehnički pregled, vol. LII, br. 2, 2002.
64
VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 1/2007.
