Modifikacija konvencionalnih radara na bazi koncepta softverskog radara Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Mr Dejan Ivković,

kapetan I klase, dipl. inž. Generalštab Vojske Srbije - Uprava J-2, Beograd

MODIFIKACIJA KONVENCIONALNIH RADARA NA BAZI KONCEPTA SOFTVERSKOG RADARA

UDC: 621.396.96 : 004.42

Rezime:

U radu su projektovani softverski modeli pojedinih funkcionalnih blokova radara, čime se stvorila pogodna osnova za poboljšanje performansi postojećih konvencionalnih radara. Primenom koncepta softverskog radara mogu se unaprediti karakteristike i povećati fleksi-bilnost konvencionalnih radara, kao i implementirati potpuno nove funkcije koje znatno una-pređuju njegove performanse. Svi softverski modeli projektovani su u programskom^ paketu MATLAB. Takođe, opisana je struktura i karakteristike konvencionalnog radara ŽIRAFA, koji je softverski modelovan. Pored toga, opisan je način softverske realizacije memorije RANGE BIN, Doplerovog filtera i detaljno opisan matematički modelprocesora CFAR.

Ključne reči: softverski radar, konvencionalni radar ŽIRAFA, procesor CFAR, Doplerov filter.

CONVENTIONAL RADARS MODIFICATION ON THE SOFTWARE RADAR CONCEPT BASIS

Summary:

Software models of some functional radar units are projected in this paper and proper platform for performance improving of existent conventional radars is created. Feature improving and flexibility increasing of conventional radars can be upgraded with application of software radar concept and totally new functions can be implemented which also upgraded its performances. All software models are projected in MATLAB program. Also structure and performances of the conventional radar GIRAFFE, which is modeled by software, are described. Additionally, way of the RANGE BIN memory and Doppler filter software realization are described. CFAR mathematical model is presented detailed.

Key words: software radar, conventional radar GIRAFFE, CFAR procesor, Doppler filter.

Uvod

Savremeni razvoj radarske tehnologi-je, a posebno razvoj metoda obrade radar-skih signala posredstvom signal-procesora i računara, omogućio je mnogo širu primenu radara nego što je bila njegova prvobitna namena, tj. otkrivanje i praćenje ciljeva. Danas savremeni radari obavljaju mnoge funkcije. Pri tome, treba ukazati na činjeni-cu da se ove funkcije mogu obavljati poje-dinačno, specijalizovanim radarskim uređa-

jima, a moguće je da jedan višefunkciona-lan radar obavlja više funkcija u vidu tzv. modova rada. Tipičan primer predstavlja višefunkcionalni avionski radar s većim brojem modova rada, kao što su: osmatra-nje, automatsko praćenje, vođenje raketa, snimanje terena i sl. Stariji radari mahom su bili specijalizovani po nameni, pa se go-vorilo o osmatračkim, nišanskim, meteoro-loškim radarima i sl. Danas je logičnije go-voriti o mogućim funkcijama radara, s ob-zirom na pomenutu višefunkcionalnost.

178

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.

Pod pojmom konvencionalni radar podrazumeva se monostatički impulsni radar koji koristi eho signal za lociranje cilja. Kod ovakvog radara predajnik i pri-jemnik su na istom mestu, što znači da postoji jedna primopredajna antena. Funk-cije većine konvencionalnih radara starije tehnološke generacije hardverski su pre-definisane, tako da su otežane mogućnosti izvođenja modifikacija radi poboljšanja performansi. S napretkom tehnike digital-ne obrade signala i signal-procesorskih tehnologija, teorijski i praktično je razra-đen koncept softverskog radija. Njegova realizacija podrazumeva da deo hardvera klasičnog radija treba zameniti sa signal -procesorskom platformom, na kojoj se softverski implementira deo funkcija radija. Koncept softverskog radara predstavlja specifičnu primenu softverskog radija. U ovom radu analizirane su mogućnosti mo-delovanja konvencionalnih radara kroz primenu koncepta softverskog radara, a radi poboljšanja njihovih performansi. Ukoliko se realizuje ova ideja, stvara se pogodna platforma za unapređivanje ka-rakteristika postojećih konvencionalnih radara primenom modernih tehnika obra-de radarskog signala.

Cilj ovog rada je projektovanje softverskog modela pojedinih funkcionalnih blokova radara, čime bi se stvorila pogodna platforma za poboljšanje performansi postojećih konvencionalnih radara.

Struktura i karakteristike konvencionalnog radara koji se softverski modeluje

Da bi se analizirala ideja o primeni koncepta softerskog radara kod konven-cionalnih radara upotrebljen je konvenci-

onalni radar ŽIRAFA, čiji je proizvođač poznata švedska kompanija Erikson (Ericsson). ŽIRAFA je impulsni Dople-rov osmatračko-akvizicijski radar s digi-talnom obradom signal a, proizveden 1986. godine. Kabina radara smeštena je na motorno vozilo, pa radarski položaj može biti izabran proizvoljno, za razliku od stacionarnih radara. Namenjen je da u okviru sistema protivvazdušne odbrane (PVO) detektuje i prati niskoleteće cilj eve. Pri detekciji određuje daljinu i azimut cilja. Brzina cilja se ne meri već grubo procenjuje preko kola za praćenje, a ci-ljevi se po brzinama svrstavaju u samo tri grupe. Radne frekvencije radara su unu-tar C-opsega frekvencija, a maksimalni domet iznosi 40 km. Digitalnom obradom signala potiskuje se klater, pa se u normalnom režimu rada na pokazivaču prikazuju samo pokretni ciljevi, što olak-šava rad operaterima.

U tabeli 1 prikazane su osnovne teh-ničke karakteristike radara ŽIRAFA. Vi-di se da, u zavisnosti od širine predajnog impulsa, ŽIRAFA može meriti daljine do 20 ili 40 km. Ako je izabrana širina pre-dajnog impulsa od 3 ps, domet će iznosi-ti 20 km, a ako je širina 6 ps, domet će biti maksimalnih 40 km. Frekvencije no-sioca su u opsegu od 5,4 do 5,9 GHz. Kao pojačavač snage koristi se TWT cev, koja obezbeđuje da izračena snaga u jed-nom impulsu bude 15 kW. Impulsna fre-kvencija (PRF) promenljiva je i može se menjati svake sekunde, od jednog do drugog obrtaja antene („promenljiva PRF“), ili od jednog do drugog predaj-nog impulsa („višestruka PRF“). Prijem-nik je superhetorodinskog tipa s među-frekvencijom od 30 MHz.

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.

179

Radar ŽIRAFA može detektovati ci-ljeve koji se kreću brzinama od 15 do 900 m/s, sa rezolucijom po daljini od 740 m u modu rada s maksimalnim dometom. Ova rezolucija je za današnje prilike veoma mala, a rezolucija po azimutu iznosi 4,7°.

Antena radara je u obliku delimičnog paraboloida. Dijagram zračenja je kose-kans na kvadrat sa širinom snopa po azimutu 2,1° i po elevaciji 9,2°. Dobitak an-tene je G = 28 dB, a visina od tla 13 m.

Tabela 1

Osnovne tehničke karakteristike radara ŽIRAFA

Karakteristika Vrednost

Tip radara impulsni Doplerov radar sa digitalnom obradom signala

Opseg daljine 0-20 km, ili 0-40 km

Frekventni opseg C-opseg, 5,4-5,9 GHz

Pojačavač snage cev sa progresivnim talasom (TWT)

Impulsna snaga 15 kW

Širina impulsa 3 us ili 6 us

Impulsna frekvencija (PRF) promenljiva PRF ili višestruka PRF

Međufrekvencija 30 MHz

Opseg brzina ciljeva 15-900 m/s

Rezolucija dva cilja iste jačine po daljini 740 m

po azimutu 4,7°

Brzina obrtanja antene 1 obr/s

Širina snopa dijagrama zračenja po azimutu 2,1°

po elevaciji 9,2°

Pojačanje antene 28 dB

Visina antene od tla 13 m

Napajanje agregatom VW Diesel 1,6 TD

spoljnom trofaznom mrežom 220 V, 50 Hz i 200 V, 400 Hz

Dužina 6800 mm

Širina 2490 mm

Visina, stub spušten oko 3,5 m

Masa 7450 kg

Pošto radar ŽIRAFA spada u mobil-ne radare, za napajanje koristi agregat koji se nalazi u sklopu kabine. Agregat stvara standardni trofazni naizmenični napon od 220 V, frekvencije 50 Hz i spe-cijalni trofazni naizmenični napon od 200 V, frekvencije 400 Hz.

Predajni signal generiše se u kristal-nom oscilatoru frekvencije 120 MHz, a za-tim mu se frekvencija umnožava u nekoli-ko koraka, dok se ne dobije odgovarajuća frekvencija u C-opsegu. Blok koji obavlja ovu funkciju nazvan je RF generator. Nje-govo mesto prikazano je na uprošćenoj blok-šemi radara ŽIRAFA na slici 1. Viso-kofrekventni signal koji je generisan u RF generatoru dalje se pretvara u impulsni vi-sokofrekventni signal i pojačava u TWT pojačavaču. Na izlazu iz TWT pojačavača dobija se predajni signal velike snage i frekvencije ft koji se pomoću talasovodnog si-stema prenosi do antenske skretnice, koja preusmerava predajni signal ka anteni koja ga zrači u okolni prostor. RF generator ge-neriše još jedan signal. To je signal lokal-nog oscilatora koji ima frekvenciju za 30 MHz veću od predajne.

Eho-signal prima se preko iste ante-ne i dovodi ponovo do antenske skretnice koja ga sada preko talasovodnog sistema preusmerava ka prijemniku radara. Frekvencija prijemnog signala, fre, može se izraziti na sledeći način:

fre = ft + fd (1)

gde je fd Doplerova frekvencija usled kre-tanja cilja u odnosu na radar. Doplerova frekvencija može imati pozitivnu ili nega-tivnu vrednost, u zavisnosti od toga da li se cilj približava ili udaljava od radara.

Prijemni signal frkvencije fre prenosi se do mešača. Na drugi ulaz mešača dovodi se signal lokalnog oscilatora. Na izlazu iz mešača dobija se prijemni signal, čiji je spektar iz visokofrekventnog područja transliran u međufrekventno područje na 30 MHz. Dalje se ovaj signal pojačava, prvo u pretpojačavaču, a zatim u međufrekventnom pojačavaču.

180

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.

Od međufrekventnog pojačavača signal može dalje da se vodi ka detektoru anvelope ili ka faznom detektoru. Ako se preusmeri direktno na detektor anvelope (slika 2), signal neće biti digitalno obra-đen i na panoramskom pokazivaču biće prikazan sirovi video signal. Taj signal sa-drži refleksije od pokretnih ciljeva, ali i od nepokretnih ciljeva koji čine stalne od-raze, tako da je uočavanje pokretnih ciljeva otežano. Ako postoji ometanje, ome-tački signali će se videti na ekranu poka-zivača, što još više komplikuje situaciju. U operativnoj upotrebi posada uvek, po-moću odgovarajućeg tastera na upravljač-

kom pultu, usmerava signal ka faznom detektoru i blokovima koji dodatno digitalno obrađuju signal. Na ulaz IQ-demo-dulatora dovodi se kompleksan signal, a rezultat su dva signala čije su faze pome-rene za 90°. Signal obeležen sa I predsta-vlja realnu komponentu, a signal Q imagi-narnu komponentu kompleksnog signala.

Pošto radar poseduje samo jedan jednokanalni A/D konvertor, signali u kvadraturi, I i Q, multipleksiraju se u vremenu da bi konverzija bila moguća. A/D konvertor je desetobitni i kvadratur-ne signale iz I i Q grane bira naizmenič-no, frekvencijom od 468 KHz.

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.

181

Sl. 3 - Dvoćelijski antiklaterski filter

Sledi blok nazvan Doplerov filter. To je visokopropusni filter šestog reda, koji se sastoji od tri filtera drugog reda, od kojih je prvi nerekurzivan s konstant-nim koeficijentima, a drugi i treći su re-kurzivni s promenljivim koeficijentima koji zavise od moda rada radara. Prvi Doplerov filter je tipičan dvoćelijski antiklaterski filter, čija struktura je prikazana na slici 3. Odziv ovog dvoćelijskog filtera na pobudu б funkcijom je:

h(t) = S(t)-2S(t-Tr) + S(t -2Tr) (2)

gde je Tr perioda ponavljanja impulsa. Drugi i treći Doplerov filter ograničavaju apsolutne vrednosti ulaznih signala u od-ređenim granicama. Nakon filtriranja ne-željeni odrazi od tla i ostalih nepokretnih ciljeva su potisnuti, a ostaju samo signali reflektovani od pokretnih ciljeva.

Filtrirani signal vodi se na ulaz de-tektora. Detektor radara ŽIRAFA je kolo s konstantnom verovatnoćom lažnog alarma, ili skraćeno CFAR (Constant False Alarm Rate). Sačinjavaju ga kola za kašnjenje, akumulator detektora sred-nje vrednosti i ekstraktor odnosa (slika 4). CFAR detektor je tipa CA (cell averaging), što znači da se u njemu upoređuje vrednost signala u trenutnom binu daljine sa srednjom vrednošću signala u sused-nim binovima. U konkretnom slučaju, radi procene nivoa signala usrednjava se vrednost signala u osam susednih binova

daljine. Dobijena srednja vrednost signala (slika 4, tačka E) upoređuje se sa vred-nošću signala u obrađivanom binu daljine (slika 4, bin daljine Xn) u ekstraktoru odnosa, deljenjem vrednosti signala u obrađivanom binu daljine sa srednjom vrednošću signala. Prvo se izračunaju lo-garitam signala i logaritam srednje vrednosti. Traženi odnos dobija se posle odu-zimanja logaritama i izračunavanja anti-logaritma. Izračunavanje logaritma za-sniva se na aproksimaciji logaritma osno-ve 2. U zavisnosti od vrednosti dobijenog odnosa, donosi se odluka o tome da li je u obrađivanom binu daljine bio signal koji potiče od cilja ili se radilo o šumu.

Sledi blok nazvan ekstraktor podata-ka. Ekstraktor podataka izračunava koor-dinate centra cilja po daljini i azimutu i te koordinate prosleđuje na panoramski pokazivač, gde se cilj prikazuje kao sve-tla tačka sa određenim nivoom osvetljaja koji zavisi od amplitude reflektovanog signala. Podaci o koordinatama detekto-vanih ciljeva šalju se do bloka koji oba-vlja funkciju automatskog praćenja ciljeva (slika 1), a prosleđuju se i vatrenim je-dinicama i operativnom centru.

Pokazivač radara ŽIRAFA je mono-hromatski i spada u grupu panoramskih pokazivača (Plan Polar Indicator - PPI). Prikazuje odraze od radarskih ciljeva i specijalne simbole. Informacija o ciljevi-ma, koja se dobija pri prebrisavanju pro-stora u kojem se ti ciljevi nalaze, sadrži daljinu i azimut za svaki cilj posebno. Informacija o daljini dobija se iz video signala koji se prikazuje, a pravac, odnosno azimut, od digitalnog davača ugla azimu-ta koji se nalazi na anteni radara.

182

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.

KOLO ZA KAŠNJENJE2

KOLO ZA KAŠNJENJE 1 KOLO ZA KAŠNJENJE 3

KOLO ZA : 8 1 1. EKSTRAKTOR

KAŠNJENJE r 1^ E 1 ODNOSA

AĐIVANOG BINA

Primer:

Kada se obrađuje bin daljine broj 24, pomerački registar će imati sledeći sadržaj:

X28 X27 X26 X25 X24 X23 X22 X21 X20

(Xn = vrednost za bin daljine n)

A: X29 -X20

B: X20 + X21 + X22 + X23 + X24 + X25 + X26 + X27 + X28 + (X29 — X20 )

4___________________ ____________________^

SADRZAJ U TACKI C

SADRZAJ U TACKI A

C:

D:

X20 + X21 + X22 + X23 + X24 + X25 + X^ + X27 + X28 X20 + X21 + X22 + X23 + X25 + X26 + X27 + X28

E: D

8

ODNOS = log—1 (log2 Xn — log2 E)

Sl. 4 - CFAR detektor radara ŽIRAFA sa vrednostima signala u karakterističnim tačkama

ODLUKA

Ako se radar ŽIRAFA uporedi s drugim modernim radarima sličnog tipa može se reći da ima veoma skromne mo-gućnosti. Međutim, arhitektura radara ŽIRAFA dozvoljava određene modifika-cije i unapređenje karakteristika pojedi-nih funkcionalnih blokova, a naročito blokova za digitalnu obradu signala i po-dataka.

Projektovani softverski model funkcionalnih blokova konvencionalnog radara

Projektovanjem softverskog modela funkcionalnih blokova prijemnika kon-vencionalnog radara stvara se pogodna platforma za unapređivanje njegovih ka-rakteristika. U ovom radu projektovan je

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.

183

softverski model koji bi trebalo da, uz određena prilagođavanja konkretnom ra-darskom sistemu, bude primenjiv u svim tipovima konvencionalnih radara, kako u vojnoj, tako i u civilnoj upotrebi.

U prvoj fazi projektovanja zahteva-no je da softverski model na približno istom nivou zadrži sve karakteristike har-dverski realizovanog konvencionalnog radara. To znači da se ne sme smanjivati maksimalni domet, narušiti rezolucija po daljini i uglu, povećati verovatnoća la-žnog alarma, smanjiti preciznost merenja koordinata ciljeva, kao i preciznost pri-kazivanja detektovanih ciljeva na soft-verskom modelu pokazivača.

U drugoj fazi projektovanja nastoja-no je da se, na osnovu projektovanih softverskih modela funkcionalnih bloko-va prijemnika konvencionalnog radara, unaprede njegove karakteristike, i to na tri načina. Prvi način podrazumeva pro-mene algoritama obrade signala u projek-tovanim softverskim modelima funkcio-nalnih blokova radara. Time bi se una-predile karakteristike postojećeg Dople-rovog filtera i procesora CFAR. Namera je da se projektuje Doplerov filter koji bi signale koji potiču od stalnih odraza poti-skivao za više od 35 dB. Kod konvencionalnih radara postoji problem detekcije ciljeva na bliskim međusobnim rastoja-njima, reda rezolucione ćelije radara. Cilj je projektovanje softverskog modela pro-cesora CFAR koji bi detektovao takve ci-ljeve, a da se pri tome ne poveća verovat-noća lažnog alarma. Drugi način unapre-đenja karakteristika podrazumeva uvođe-nje novih funkcija u projektovane bloko-ve. Na taj način trebalo bi ostvariti funk-ciju selekcije ciljeva po brzini, kojom bi se ciljevi detektovali, a kasnije i pratili samo u zahtevanom opsegu brzine. Treći

način je implementacija novih softverski modelovanih funkcionalnih blokova s funkcijama koje ne poseduje dati kon-vencionalni radar. Jedan od ciljeva ovog rada je projektovanje estimatora radijalne brzine, koji bi, na osnovu merenja Do-plerove frekvencije reflektovanog radar-skog signala, proračunavao brzinu detek-tovanog cilja.

Da bi se uspešno analizirale moguć-nosti primene koncepta softverskog rada-ra kod konvencionalnih radara, radi po-boljšanja njihovih karakteristika, i da bi ta analiza bila verifikovana, projektovani su softverski modeli određenih funkcio-nalnih blokova, prethodno opisanog kon-vencionalnog radara ŽIRAFA. Blokovi koji su u ovom radu podlegli softver-skom modelovanju vezani su za digitalnu obradu signala i podataka, a softverski je realizovan i panoramski pokazivač. Te-žnja je bila da softverski modeli u što ve-ćoj meri odgovaraju realnim karakteristi-kama hardverskih komponenata realnog radara. Projektovanje svih funkcionalnih blokova urađeno je u programskom pa-ketu MATLAB.

Ako se uporede sl. 1 i 5 može se uočiti da su blokovi „digitalni Doplerov filter, CFAR procesor, fiksni pragovi i ekstraktor“ zamenjeni jednim A/D kon-vertorom i blokom za obradu signala. Blok za obradu signala čine jedan robust-ni računar, ojačan DSP pločom, i softer sa softverskim modelima blokova za digi-talnu obradu signala konvencionalnog ra-dara. Elementi koji čine blok za obradu signala, odnosno softverski deo radarskog prijemnika, detaljnije su prikazani na sl. 6. Pri softverskom modelovanju blokova te-žilo se da se njihovi nazivi, funkcije i re-dosled što bolje slažu sa originalnim blo-kovima upotrebljenog radara.

184

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.

Sl. 5 - Uprošćena blok-šema konvencionalnog radara ŽIRAFA sa softverskom obradom signala

I I I I

Q -------- Q --------- Q -------- Q

Sl. 6 - Deo radarskogprijemnika za obradu signala sa softverski modelovanim blokovima

Analogno-digitalna konverzija

Zbog potrebe da se istovremeno odabira više signala, umesto postojećeg jednokanalnog A/D konvertora radara ŽIRAFA trebalo je upotrebiti jedan više-kanalni A/D konvertor. A/D konverzija je obavljena pomoću kartice PCI--9812/10, na kojoj se nalazi jedan četvo-rokanalni A/D konvertor. Maksimalna frekvencija odabiranja po kanalu je 20 MHz. Ova kartica istovremeno odabira signale iz I i Q grane, koji dolaze sa IQ demodulatora, na trećem kanalu odabira-ju se sinhronizacioni impulsi na izlazu iz generatora impulsne frekvencije radara, a

četvrti kanal odabira tzv. „impuls serve-ra“, koji daje informaciju o trenutku pro-laska snopa antene preko nultog azimuta. Frekvencija odabiranja navedenih signala bila je 2 MHz, jer je trajanje sinhroniza-cionog impulsa 1 ps.

Memorija RANGE BIN

Sledi blok nazvan memorija RANGE BIN u koji se smeštaju podaci sa A/D konvertora i pripremaju za obradu u narednim blokovima. Ova memorija sa-drži pakete podataka iz I i Q grane, slo-žene kao na sl. 7. Svaki red predstavlja I

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.

185

REDNI BROJ PREDAJNOG IMPULSA

1. 2. 3. N

REDNI BROJ BINA DALJINE 1. I,Q(1,1) I,Q(1,2) i,Q(1,3) i,Q(1,n)

2. I,Q(2,1) I,Q(2,2) I,Q(2,3) I,Q(2,N)

3. i,Q(3,1) I,Q(2,3) i,Q(3,3) i,Q(3,n)

M i,Q(m,1) I,Q(M,2) I,Q(M,3) I,Q(M,N)

Sl. 7 - Struktura memorije RANGE BIN

i Q odbirke istog bina daljine, a svaka kolona sadrži I i Q odbirke jednog pre-dajnog impulsa. Rezolucija po daljini, označena sa AR, jeste parametar radara koji predstavlja sposobnost razdvajanja dva cilja na istoj uglovnoj koordinati. Radarski sistemi obično su projektovani tako da određuju daljinu cilja od mini-malne vrednosti Rmin, do maksimalne Rmax. Rastojanje od Rmin do Rmax podelje-no je na M binova daljine. Širina svakog bina daljine je AR, a njihov broj se tada može dobiti prema izrazu:

M =

R — R

vmax__vmin

AR

(3)

Broj reflektovanih impulsa od jednog cilja u toku jednog prebrisavanja an-tene - N, zavisi od frekvencije obrtanja antene - fs, frekvencije ponavljanja impulsa - fr, i širine dijagrama zračenja antene - 03dB i dat je u izrazu [3]:

N = fr®3dB (4)

2nfs

Ovakva matrica podataka generiše se za svaki položaj antene po azimutu [3].

Doplerov filter

Doplerov filter realizovan je kao tran-sverzalni filter trećeg reda (sl. 8b), čiji je odziv na б funkciju isti kao kod dvoćelij-skog antiklaterskog filtera radara ŽIRAFA, prikazanog na sl. 3 i odgovara jednačini (2). Antiklaterski filter na bazi transverzal-nog filtera može imati proizvoljan broj će-lija (slika 8a). Tada težinski koeficijenti transverzalnog filtera odgovaraju binomi-nalnim koeficijentima s promenljivim zna-cima, a proračunavaju se prema jednačini:

/ ~,\n-k n / ,\n-k n!

wk =(-1) [kJ=(-1) щп-т)

(5)

186

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.

gde je:

- wk k-ti težinski koeficijent,

- n + 1 red transverzalnog filtera, i

- k redni broj težinskog koeficijenta (k e|0,1,...,n}).

Ako se za n uzme vrednost 2, težin-ski koeficijenti antiklaterskog transfer-

zalnog filtera imaju vrednosti 1, -2 i 1 (slika 8b). Frekvencijska karakteristika projektovanog filtera prikazana je na slici 9. Uočava se da ovakav antiklaterski filter potiskuje signale s malim Doplerovim pomakom za 35 dB. Uvek se filtriraju vektori podataka iz istog bina daljine.

a) Filter reda n+1 b) Filter trećeg reda

Sl. 8 - Realizacija Doplerovog filtera na bazi transverzalnog filtera

AMPLITUDSKA KARAKTERISTIKA

FAZNA KARAKTERISTIKA

Sl. 9 - Amplitudska i fazna karakteristika Doplerovog filtera na bazi transverzalnog filtera sa

koeficijentima 1, -2 i 1

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.

187

Detektor anvelope i procesor CFAR

Posle filtriranja signali se prosleđu-ju do detektora anvelope. Njegov zadatak je da za svaki filtrirani kompleksni par I, Q (m, n) odredi modul po jednačini:

X (m, n) = ^I (m, n )2 + Q (m, n )2 (6)

gde je:

- I (m, n) - filtrirana realna komponenta signala u m-tom binu daljine, n-tog pre-dajnog impulsa,

- Q (m, n) - filtrirana imaginarna komponenta signala u m-tom binu daljine, n-tog predajnog impulsa, i

- X (m, n) - signal na izlazu detektora anvelope u m-tom binu daljine, n-tog predajnog impulsa.

U stvari, X (m, n) predstavlja ampli-tudu filtriranog signala koji sada dolazi do detektora realizovanog u obliku pro-cesora CFAR.

Procesor CFAR (Constant False Alarm Rate) koristi se kao detektor u ra-darskim prijemnicima za detekciju cilje-va u zoni osmatranja gde nisu poznati svi parametri statističke raspodele klatera ili tamo gde su oni nestacionarni. Blok-še-ma procesora CFAR [3] prikazana je na slici 10. Tri glavne tehnike koje se kori-ste pri realizaciji ovog procesora su:

- CA-CFAR (Cell Averaging CFAR),

- GO-CFAR (Greatest Of the selection logic CFAR) i

- SO-CFAR (Smallest Of the selection logic CFAR).

CA-CFAR je optimalan procesor CFAR kada je zona osmatranja homogena, tj. kada njegove ćelije imaju sadržaj sa iden-tičnom raspodelom klatera. Procesor GO-CFAR koristi se u situacijama kada treba detektovati više ciljeva u grupi, koji su veo-ma blizu jedan drugom. Ako ciljevi reflek-tuju signale koji su po amplitudi slični klate-ru u njihovoj blizini, za detekciju se koristi

188

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.

procesor SO-CFAR koji sprečava preko-memo pojavljivanje lažnih detekcija ciljeva, odnosno pojavljivanje lažnih alarma. Bitni parametri svakog CFAR-a su:

- verovatnoća lažnog alarma - Pfa;

- veličina prozora detekcije - 2n;

T _

1h

- 1

(9)

Kod GO-CFAR procesora parame-tar Z se dobija preko jednačine:

- srednja vrednost signala u ćelija- n 2n

ma - Z; max У Xi, У Xi max (Y1

- faktor skaliranja praga detekcije - Z _ _ i_1 i_n+1 _

Th, i - prag detekcije - S. n n

-2S

n- f n + i - Л

Faktor skaliranja praga detekcije,

Th, jeste konstanta kojom se postiže že-ljena vrednost verovatnoće lažnog alarma za datu veličinu prozora detekcije -2n. Prozor detekcije sastoji se od dve grupe sa istim brojem ćelija koje se nala- P _ 2(1 + Th )-n -ze na suprotnim stranama u odnosu na ćeliju čiji se sadržaj testira.

CA-CFAR obrađuje signale koje dobija od detektora anvelope, tako što usred-njava signale u 2n susednih binova daljine (Xi) i dobijenu srednju vrednost upoređuje sa signalom u binu daljine koji se testira (Y). Srednja vrednost signala u 2n susednih binova daljine data je u jednačini:

(10)

a formula koja povezuje verovatnoću la-žnog alarma i faktor skaliranja praga detekcije ima sledeći oblik [3]:

i_0 '

(2+Th)

-(n+i)

(11)

U slučaju da je procesor SO-CFAR projektovan parametar Z se dobija preko jednačine:

n 2n

У X + У xi

г г У I У

Z _i=1 i=n+1 __ J 1 ' J 2

Z _

min n 2n У Xi, У Xi

_ i_1 _ n+1 _

min

in (У,,у2)

2n

2n

(7)

a verovatnoća lažnog alarma [3]:

(12)

1

Nivo praga detekcije, S, računa se za određenu verovatnoću lažnog alarma, Pfa. Verovatnoća lažnog alarma kod CA--CFAR-a, zavisi od faktora skaliranja praga detekcije,Th, prema sledećoj jednačini [3]:

Pfa =(1 + T, f (8)

Lako se može izračunati da faktor skaliranja iznosi:

Pr. _ 2У

n-i f n + i - Л

((+T,)

-(n+i)

i_0 '

(13)

U sva tri načina realizacije procesora CFAR, nivo praga detekcije, S, računa se kao proizvod faktora skaliranja praga detekcije i vrednosti parametra Z po sle-dećoj jednačini:

s _ Th • Z (14)

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.

189

Tabela 2

Vrednosti faktora skaliranja

Pfa 2n = 8 2n = 16 2n = 24 2n = 32

TCA TGO TSO TCA TGO TSO TCA TGO TSO TCA TGO TSO

10-4 2,162 3,60 10,88 0,778 1,36 2,444 0,468 0,833 1,277 0,334 0,602 0,851

10-6 4,623 7,78 36,00 1,371 2,42 5,131 0,778 1,400 2,347 0,540 0,983 1,475

10-8 9,000 15,30 117,9 2,162 3,84 9,905 1,154 2,092 3,916 0,778 1,425 2,302

Proračunate vrednosti za faktor skaliranja, u zavisnosti od vrednosti verovat-noće lažnog alarma i načina realizacije procesora CFAR, prikazane su u tabeli 2.

Komparator, u okviru CFAR-a, upo-ređuje vrednost signala iz test-bina (Y) s dobijenim pragom detekcije prema (14). Ako je Y > S donosi se odluka da je u datom test-binu detektovan cilj sa una-pred utvrđenom verovatnoćom lažnog alarma. Ukoliko se pri proračunu donese zaključak da je Y<S, u tom test-binu daljine ne nalazi se cilj.

Ekstraktor i pokazivač

U bloku ekstraktora na sl. 6 prora-čunavaju se koordinate centra cilj a po azimutu i daljini za signale iz onih binova daljine u kojima je CFAR detektovao cilj. Zbog dimenzija samog cilj a, ali i zbog širine antenskog snopa, postoji više uzastopnih detekcija u susednim ćelijama memorije RANGE BIN. Pod centrom ci-lja podrazumeva se onaj bin daljine i azi-muta u kojem je vrednost susednih ćelija na izlazu iz CFAR-a maksimalna.

Da bi dobijeni podaci o koordinata-ma detektovanih ciljeva bili prikladno pri-kazani, softverski je modelovan panoram-ski pokazivač koji liči na realni pokazivač konvencionalnog radara. Softverski mo-delovani panoramski pokazivač prikazan je na sl. 11. Na njemu se detektovani cilj evi prikazuju kao svetle tačke. Posle

svakog obrtaja antene slika na pokazivaču osvežava se novim podacima o ciljevima. Vizuelno se grubo može proceniti daljina cilj a u kilometrima i azimut u stepenima, ali softverski se veoma lako mogu nume-risati i obeležavati detektovani ciljevi. Ta-kođe, na monitoru računara mogu se pri-kazati njihove tačne koordinate. Ako bi se ovde dodali podaci koje daje uređaj za elektronsko legitimisanje ciljeva, olakšalo bi se razvrstavanje ciljeva. Oni bi se, u zavisnosti od grupe kojoj pripadaju (vojni avion, civilni avion itd.), prikazivali razli-čitim simbolima ili bojama.

0

270

40

90

180

Sl. 11 - Izgled softverski modelovanog panoramskog pokazivača

Zaključak

Modelovanjem konvencionalnih ra-dara kroz primenu koncepta softverskog radara mogu se poboljšati njihove perfor-manse. Realizacijom ove ideje stvara se

190

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.

pogodna osnova za unapređivanje karakte-ristika postojećih konvencionalnih radara primenom modernih tehnika obrade radar-skog signala. U radu su projektovani soft-verski modeli pojedinih funkcionalnih blo-kova radara, čime se stvorila pogodna plat-forma za poboljšanje performansi postoje-ćih konvencionalnih radara. Primenom koncepta softverskog radara mogu se una-prediti karakteristike i povećati fleksibil-nost konvencionalnih radara, kao i imple-mentirati potpuno nove funkcije koje znat-no unapređuju njegove performanse.

Literatura:

[1] Reed, J. H.: Software Radio, Comunications Enginering and Emerging Technologies, Prentice-Hall PTR, 2002.

[2] Grydeland, T.: Interferometric and high time-resolution observations of Naturally Enhanced Ion-Acoustic Echoes at the EISAT Svalbard Radar: Software radar and Incoherent Scattering, Doctor Scientiarum Dissertation, Faculty of Science Department of Pfysics, University of Tromso, 2003.

[3] Chung-Yi, C.: Modeling and simulation of a search radar receiver, Naval Postgraduate School Monterey California, septembar 1996.

[4] Grydeland, T.: Software radar signal processing, Annales Geophysicale, 2004.

[5] Popović, M.: Digitalna obrada signala, Nauka, Beograd, 1996.

[6] Schleher, D. C.: MTI and Pulsed Doppler Radar, Artech House, USA Norwood, 1991.

VOJNOTEHNIČKI GLASNIK 2/2007.

191