CC BY
28
Mr Dejan Ivkovic,
major, dipl. inz.
Generalstab Vojske Srbije -Uprava J-2,
Rezime:
REZULTATIOBRADE SIGNALA U PROJEKTOVANIM BLOKOVIMA PRIJEMNIKA SOFTVERSKOG RADARA
UDC: 621.396.96
U radu su prikazani rezultati obrade signala u ranije projektovanim softverskim moduli-ma radarskog prijemnika. Prvo su navedeni rezultati merenja realnog klatera bez prisustva ci-Ijeva u vazdusnom prostoru, zatim rezultati detekcije simuliranih ciljeva u prisustvu realnog klatera i, na kraju, rezultati detekcije tri realna cilja u vazduhu. Svi parametri pri merenju klatera i detekcije simuliranih i realnih ciljeva prikazani su tabelarno, a rezultati graficki. Na osnovu analize prikazanih rezultata moze se zakljuciti da projektovani softverski moduli radarskog prijemnika dobro emuliraju radpostojecih hardverskih blokova realnog radara.
Kljucne reci: softverski radar, realni klater, simulirani cilj, realni cilj.
RESULTS OF THE SIGNAL PROCESSING IN DESIGNED RECEIVER BLOCKS OF SOFTWARE RADAR
Summary:
This paper presents the results of signal processing in previously designed software modules of radar receivers. The measurement procedure is described briefly. The results of measuring real clutter without aerial targets are followed by the results of detecting simulated targets in the presence of real clutter. Finally, the results of the detection of three real targets in the air are presented. All parameters of the clutter measurement and the detection of targets, both simulated and real, are given in tables while the results are showed graphically. On the basis of the analysis of the obtained results, it can be concluded that the designed software modules of the radar receiver successfully emulate the operation of existing hardware blocks of real radars.
Key words: software radar, real clutter, simulated target, real target.
Uvod
Da bi se verifikovala predlozena re-senja funkcionalnih blokova softverskog radarskog prijemnika u [1] i [2], bilo je neophodno izmeriti radarske signale, a zatim uporediti rezultate obrade signala u projektovanim blokovima sa rezultatima obrade u realnom radaru. Merenje je iz-vrseno na radaru ZIRAFA, pre svega zbog toga sto spada u grupu tipicnih konvencionalnih radara s digitalnom ob-
radom signala. To znaci da ce sva resenja softverskih modula ovog radara biti pri-menjiva i kod ostalih vojnih ili civilnih konvencionalnih radara, uz eventualne manje modifikacije i prilagodavanja kon-kretnom radarskom sistemu. Pored toga, radar ZIRAFA bio je dostupan i van operativne upotrebe u duzem periodu. Tokom priprema za merenje radarskih signala i njihovu obradu u projektovanim blokovima radarskog prijemnika postoja-le su dve polazne pretpostavke.
Postojeca hardverska platforma (kartica PCI-9812/10) omogucava akvi-ziciju radarskog signala u realnom vre-menu. Takode, postojeca racunarska platforma i softversko okruzenje omogu-cavaju akviziciju i smestaj podataka u realnom vremenu, ali ne i obradu memori-sanih podataka. Obrada podataka mora biti izvedena u tzv. offline rezimu, jer je celokupna implementacija softverskih modula uradena u programskom paketu MATLAB, na jednom personalnom racu-naru.
Softverski moduli radarskog prijem-nika, definisani i opisani u [1] i [2], a pri-kazani na slici 1, omogucice takvu obra-du radarskih signala ciji rezultati potpuno odgovaraju rezultatima realnog radar-skog sistema (ZIRAFA).
Prakticna pro vera rada svih projek-tovanih softverskih modula radara izvr-sena je pomocu dva osnovna scenarija.
Prvi scenario podrazumeva detekci-ju simuliranih pojedinacnih ciljeva u re-alnom klateru. Pretpostavka je da ce ka-rakteristike cilja koji se simulira, u skla-du sa prethodno opisanim matematickim modelom, u velikoj meri odgovarati ka-rakteristikama realnog cilja. Rezultati koji se u ovom scenariju ocekuju od pro-jektovanog softverskog radarskog pri-jemnika su:
- uspesna detekcija pojedinacnih simuliranih ciljeva u realnom klateru, i
- poboljsanje detekcije simuliranih ciljeva.
Drugi scenario je znacajniji za pro-veru rada projektovanih softverskih modula. On podrazumeva detekciju realnih pojedinacnih ciljeva. Pretpostavka je da ce realni cilj biti mlazni putnicki avion koji leti na redovnoj liniji, tako da nisu poznati parametri njegovog leta. U ovom scenariju rezultati koji se ocekuju od projektovanih softverskih modula radarskog prijemnika su:
- uspesna detekcija pojedinacnih realnih ciljeva, i
- poboljsanje detekcije realnih cilje-
va.
Pretpostavka je da se pri detekciji koristi radarski prijemnik koji u svom sa-stavu ima fleksibilni CFAR procesor po pitanju algoritma detekcije i velicine pro-zora detekcije.
Nacin rada
Tokom rada na radaru ZIRAFA (sli-ka 2) izvrseno je vise merenja sa opre-mom koja je prikazana na slici 3 a. Pored opisane akvizicione kartice PCI-9812/10 koriscen je personalni racunar sa slede-cim karakteristikama:
- procesor AMD Athlon - 1.53 GHz,
- maticna ploca ASUS AGP8X,
- RAM 512 MB,
- operativni sistem - Microsoft Windows XP Professional.
Sl. 2 - Radar ZIRAFA
a)
к
RADARSKI ORMAR
b)
Sl. 3 - Blok-sema merenja
Na blok-semi merenja (slika 3b) pri-kazan je, pored racunara i akvizicione kartice, radarski ormar u kojem se nalaze izvori za napajanje, predajnik i prijemnik radara ZIRAFA. Na radarskom ormaru postoje iz-vodi na kojima se nalaze i izlazni signali I i Q grane IQ-demodulatora i izlazni signal generatora impulsne frekvencije („sinhro"). Impuls severa dobijen je preko kartice sa oznakom ROE 124 2105/01, koja se nalazi u sastavu radarskog ormara, a bitan je zbog pravilnog formiranja paketa radarskih po-dataka u RANGE BIN memoriji.
Pri svakom merenju u realnom vre-menu obavljena je akvizicija podataka i njihovo memorisanje, a obrada signala je, usled obrade na personalnom racuna-ru, izvodena u „offline" rezimu.
U vreme osmatranja vazdusnog prostora i izvodenja svih merenja nije bilo kla-tera koji su poticali od kise i oblaka, a nije bilo ni aktivnog ometanja. Postojao je samo klater od reljefa, sume i okolnih zgrada.
Prvo je meren realni klater u odsu-stvu realnih ciljeva i analizirani su rezul-tati obrade, a zatim su realnom klateru superponirani signali simuliranih ciljeva po matematickom modelu predstavlje-nom u [2], kako bi se verifikovao rad svih projektovanih softverskih modula prijemnika konvencionalnog radara. Na kraju je izvrsen eksperiment sa realnim ciljevima, sto je predstavljalo pravu pro-veru ispravnosti rada projektovanog soft-verskog modela. Realni ciljevi bili su avioni iz civilnog avio-saobracaja koji su leteli na svojim redovnim linijama.
Merenje realnog klatera
Radi verifikacije pravilnosti rada projektovanih funkcionalnih blokova radarskog prijemnika obavljena su merenja
na radaru ZIRAFA, koja su podrazume-vala akviziciju realnog klatera. Frekven-cija odabiranja A/D konvertora bila je 2 MHz, jer su sinhronizacioni impulsi iz generatora impulsne frekvencije veoma uski, pa na nizim frekvencij ama dolazi do preskakanja pojedinih sinhro-impulsa, sto remeti pravilno formiranje podataka u RANGE BIN memoriji. Posto je fre-kvencija odabiranja signala na izlazu IQ-demodulatora oko osam puta veca od stvarne frekvencije odabiranja A/D konvertora u radaru ZIRAFA, a da bi rezul-tati bili relevantni, CFAR procesor pro-jektovan je tako da je osam puta veceg reda nego original. To znaci da se ispitu-ju 64 susedna bina daljine oko test bina [2]. Za verovatnocu laznog alarma uzeta je standardna vrednost od 10-6, pa je faktor skaliranja,Th, imao vrednost od 4,623 [2]. Akvizicija klatera uradena je za 5900 predajnih impulsa pri promenlji-voj frekvenciji ponavljanja impulsa, a sirina predajnog impulsa bila je 6 s, sto znaci da je domet radara bio 40 km. Fre-kvencija visokofrekventnog nosioca predajnog signala bila je 5,4 GHz. U tabeli 1. dat je pregled svih parametara akvizi-cije podataka.
Tabela 1
Parametri akvizicije realnog klatera
Parametar Vrednost
Frekvencija odabiranja fsm = 2 MHz
Broj celija CFAR procesora 2n = 64
Verovatnoca laznog alarma Pfa = 10-6
Faktor skaliranja Th = 4,623
Broj predajnih impulsa N = 5900
Sirina predajnog impulsa = 6 s
Frekvencija nosioca predajnog impulsa ft = 5,4 GHz
Frekvencija ponavljanja impulsa promenljiva
Sl. 4 - Signali I i Q-grane na izlazu A/D konvertora
Na slici 4 prikazan je oblik signala I i Q-grane na izlazu A/D konvertora PCI-9812/10 za jedan predajni impuls radara, a na slici 5 prikazan je kompletan digital-no neobradeni prijemni signal, tzv. sirovi
video signal za opseg daljina od 0 do 40 km. U gornjem delu slike 5 nalazi se pri-kaz u tri dimenzije, a u donjem delu slike prikazan je radiogram sirovog video signala.
2000 3000 4000 redni broj pred. impulsa
Sl. 5 - Sirovi video signal i njegov radiogram
daljina [km] 0 0 azimut [stepen]
Sirovi video (radiogram)
0 50 100 150 200 250 300 350
azimut [stepen]
Sl. 6 - Sirovi video signal i njegov radiogram za jedan obrtaj antene
Uocava se da se posle odredenog broja predajnih impulsa slika sirovog videa ponavlja, sto znaci da je antena pri merenju nacinila vise od jednog obrtaja.
Izmedu 1. i 1000. predajnog impulsa uocava se zona veoma jakog klatera, sa velikim brojem stalnih odraza, koja se ponavlja od 3000. do 4000. predajnog impulsa.
Na slici 6 prikazan je sirovi video signal za jedan obrtaj antene, a na x-osi je predstavljen azimut u stepenima. U ovom obrtaj u antene nije bilo pokretnih ciljeva u osmatranoj zoni, sto ce i potvr-diti obrada signala u projektovanim funk-cionalnim blokovima.
Posle filtriranja u Doplerovom filte-ru [2] signal se prosleduje na detektor an-velope, a signal na njegovom izlazu prikazan je na slici 7. Uocava se da su stalni odrazi uglavnom dobro potisnuti, osim nekih komponenata signala oko azimuta od 25o, 65o i 300o.
Signal sa detektora anvelope dolazi na ulaz CFAR procesora, koji pomocu opisanog algoritma u [2] detektuje da li u ispitivanom binu daljine postoji ili ne po-stoji cilj. Signal na njegovom izlazu prikazan je na slici 8. Uocava se samo ma-nji broj laznih detekcija od kojih nijedna ne predstavlja pokretni cilj, sto znaci da je CFAR procesor pravilno obradio ula-zni signal.
Izlaz detektora anvelope
аз 1
■o i -
i 0.5
Q_
E 0:
03 40
0
40 г
~ 30 E
g 20
03 "О
10
30
20
À
A
10
о 0
*t> — 300
100
200
daljina [km] ' ~ azimut [stepen]
Izlaz detektora anvelope (radiogram)
¡i iiii'.!
il !l
1Л i
i
I' . In
' ,1
'H.,-;.
I nuil,_ni_- 'in., J II
50 100 150 200 250 azimut [stepen]
300
350
Sl. 7 - Izlaz detektora anvelope i njegov radiogram za jedan obrtaj antene
Izlaz CFAR-a
daljina [km] azimut [stepen]
Izlaz CFAR-a (radiogram)
40
30
E
CD С 20
"rô
"O 10
0
0 50 100 150 200 250 300 350
azimut [stepen]
Sl. 8 - Izlaz CFAR procesora i njegov radiogram za jedan obrtaj antene
Detekcija simuliranih ciljeva u realnom klateru
Simulirano je postojanje tri cilja u realnom klateru. Matematicki model simuliranih ciljeva odgovara modelu koji je prikazan u [2], a osnovni parametri ciljeva dati su u tabeli 2.
Tabela 2
Parametri ciljeva
Parametar Cilj 1 Cilj 2 Cilj 3
Amplituda Us 2 1,5 4
Doplerova frekvencija fd 1500 Hz 6000 Hz 3000 Hz
Daljina R 8 km 15 km 25 km
Azimut 125° 190° 300°
Sirovi video signal sa simuliranim ciljevima prikazan je na slici 9. Od tri pokretna cilja jedino se cilj 3 moze pri-metiti u sirovom video signalu, dok su cilj 1 i cilj 2 potpuno maskirani, jer se
nalaze u oblastima jakog klatera, a po amplitudi su cak i nesto malo ispod nje-govog nivoa. Posle filtriranja u Doplero-vom filteru situacija se menja. Na slici 10 jasno se uocavaju simulirani ciljevi, ali pored njih postoje i neki drugi odrazi. Posle obrade signala u CFAR procesoru ostaju samo pokretni ciljevi. Izlaz iz CFAR procesora za pun obrtaj antene prikazan je na slici 11.
Efekat obrade signala u projektova-nim blokovima softverskog radarskog prijemnika moze se bolje uociti na slici 12, gde je osa azimuta selektovana u op-segu od 170° do 210°. U tom sektoru klater je veoma jak, pa se cilj 2 veoma tesko uocava u sirovom video signalu. Tek na izlazu iz CFAR procesora potpuno jasno se uocava cilj 2 na azimutu 190° i daljini od 15 km.
Sirovi video
40,
_ 30 £
gj 20 10;
daljina [km]
100
azimut [stepen]
Sirovi video (radiogram)
0 0
* 91 • v*l «M
i ■
wmmcem
trillé :
0 50 100 150 200 250 300 350
azimut [stepen]
Sl. 9 - Sirovi video signal i njegov radiogram sa simuliranim ciljevima
Izlaz CFAR-a
CÜ A -O 1 - =3 ............................................
^ 0.5 -
E 0 > го 40 30 ........20- ............... 1 v ...................<............................................................ 20 ............->.......... • .....<............................... 200 10 ..........................^ ..................... 100 .,..„, 0 0
da|j|na [km] azimut [stepen]
40 Izlaz CFAR-a (radiogram)
I : : : : : : :
„30 *
л 20
ÜT 10
0 (
3 50 100 150 200 250 300 350 azimut [stepen]
Sl. ll - Izlaz CFAR procesora i njegov radiogram sa simuliranim ciljevima
20 _
daljina [km] 0^ 18azimut [stepen] 170 180 190 200 210
azimut [stepen]
Izlaz detektora anvelope (radiogram) Izlaz CFAR-a (radiogram)
40 r
_ 30 E
£ 20 1B
10
170 180 190 200 azimut [stepen]
210
05
10
170 180 190 200 210 azimut [stepen]
Sl. 12 - Sirovi video signal, izlaz detektora anvelope i CFAR procesora selektovan
po azimutu (cilj 2)
Sl. 14 - Izgled softverski modelovanogpanoramskogpokazivaca (sinteticki video signal)
Signali sa izlaza CFAR procesora dolaze na ulaz ekstraktora [2] koji odre-duje koordinatu svakog detektovanog ci-lja, sto znaci da se odreduju azimut i da-ljina svakog cilja. Koordinate ciljeva prosleduju se softverski modelovanom panoramskom pokazivacu. Na slici 13 prikazan je izgled panoramskog pokazi-vaca kada se prikazuje sirovi video signal, a na slici 14 je panoramski pokazi-vac na kojem je prikazan digitalno obra-deni signal (sinteticki video signal). Kao i na slici 9, i na slici 13 uocava se samo cilj 3 na azimutu 300o i daljini 25 km, dok se ostali ciljevi ne mogu razlikovati od klatera. Na slici 14 lako se uocavaju svi ciljevi iz tabele 2. Na pokazivacu bi se slika menjala posle svakog obrtaja an-tene.
Na osnovu prikazanih kvalitativnih rezultata zakljucujemo da softverski mo-
delovani funkcionalni blokovi radarskog prijemnika dobro emuliraju rad realnog prijemnika radara ZIRAFA.
Detekcija realnih ciljeva
Pravu verifikaciju ispravnosti rada projektovanih funkcionalnih blokova softverskog radarskog prijemnika pred-stavlja detekcija realnih ciljeva u real-nom klateru. Zbog toga je dodatno meren radarski signal pri postojanju realnih ciljeva.
Obavljena su dva merenja realnog radarskog signala prema opisanoj semi merenja (slika 3b). Frekvencija ponavlja-nja predajnih impulsa bila je 2350 Hz, a frekvencija nosioca u impulsu predajnog signala trajanja t = 6 ^s - 5,4 GHz. U ta-beli 3 prikazani su svi parametri akvizici-je realnih ciljeva.
Tabela 3
Parametri akvizicije realnih ciljeva
Parametar Vrednost
Frekvencija odabiranja fsm = 2 MHz
Broj celija CFAR procesora 2n = 64
Verovatnoéa laznog alarma Pfa = 10-6
Faktor skaliranja Th = 4,623
Broj predajnih impulsa N = 5900
Sirina predajnog impulsa = 6 s
Frekvencija nosioca predajnog impulsa ft = 5,4 GHz
Frekvencija ponavljanja impulsa fr = 2350 Hz
Pri prvom merenju postojala su dva realna cilja. Oba cilja bila su putnicki mla-zni avioni koji su leteli na redovnim linija-
ma. Podaci o brzini i visini leta nisu bili poznati. Prvi cilj nalazio se u oblasti jakog klatera, dok je drugi bio izvan te oblasti.
Pri drugom merenju postojao je samo jedan realni cilj. Bio je to putnicki mlazni avion, koji je leteo na relativno malom rastojanju (oko 10 km) od radara ZIRAFA, ali se nalazio u oblasti veoma snaznog klatera, tako da se bez primene digitalne obrade signala nije mogao uoci-ti na radarskom pokazivacu. Podaci o brzini i visini leta, takode, nisu bili poznati.
Sirovi video signal i signal na izla-zu CFAR procesora, za prvo merenje, prikazani su na slici 15.
Na radiogramu sirovog video signala nemoguce je razlikovati postojece realne ci-ljeve od stalnih odraza. Medutim, nakon digitalne obrade signala u projektovanim soft-verskim modulima potiskuju se signali stalnih odraza, tako da su dva realna cilja jasno
Izlaz CFAR-a (radiogram)
40
r.........
E 30 ^cilj 1
ra ra T3 20 10 n cilj
0 20 40 60 80 100 120 140 160
azimut [stepen]
40 Sirovi video (radiogram)
L. ^ ••................
daljina [km] 30 20 ^ci|j 1 - <ÊÊk > « .TjpgF cilj
10 i
n
0 20 40 60 80 100 120 140 160
azimut [stepen]
Sl. 15 - Sirovi video signal i izlaz CFAR procesora sa realnim ciljevima
a) 0 b) 0
300 j^HHHgHjj^^HH^HH^Bk 60 270 go
120 210 ^^^^^^^^^^^^^^^^^ 150
180 180
Sl. 16 - Softverski modelovani panoramski pokazivac sa realnim ciljevima: a) sirovi video signal; b) sinteticki video signal
vidljiva na izlazu CFAR procesora, i to cilj 1 na azimutu 19o i daljini 25 km i cilj 2 na azimutu 144o i daljini 11 km. Slicni zakljuc-ci mogu se izvesti kada se uporede slike na panoramskom pokazivacu. Na slici 16b, pored dva detektovana realna cilja moze se primetiti nekoliko laznih ciljeva koji su po-sledica jakog signala klatera u blizini radara.
Pod istim uslovima obavljeno je i drugo merenje realnog radarskog signala, kada je izvrsena akvizicija jednog real-nog cilja. Sirovi video signal i izlazni signal CFAR procesora prikazani su na slici 17. Osa azimuta selektovana je u opsegu od 250o do 285o, da bi se bolje uocio efekat digitalne obrade realnog ra-
40 r
— so : E
ro 20!
10!
Izlaz CFAR-a (radiogram)
cilj 3V
250 255 260 265 270 275 azimut [stepen] Sirovi video (radiogram)
280
285
250
255
260 265 270 275 azimut [stepen]
280
285
Sl. 17 - Sirovi video signal i izlaz CFAR procesora sa realnim ciljem
Sl. 18 - Softverski modelovani panoramski pokazivac sa realnim ciljem: a) sirovi video signal; b) sinteticki video signal
darskog signala. Realni cilj se lako uoca-va na azimutu 268o i daljini 12,5 km.
Na panoramskom pokazivacu (slika 18a) pri prikazivanju sirovog video signala nemoguce je primetiti cilj. Kada se na pokazivacu prikaze sinteticki video signal, realni cilj se jasno uocava na istim koordinatama kao na slici 18b. Za razliku od prethodne situacije, kada su detektovana dva cilja, pri akviziciji ovog realnog cilja nije bilo laznih ciljeva.
Svi realni ciljevi detektovani su sa za-datom verovatnocom laznog alarma, a nji-hove proracunate koordinate odgovaraju koordinatama koje je odredio realni radar.
Zakljucak
Na osnovu prikazanih kvalitativnih rezultata moze se zakljuciti da realizova-ni blokovi softverskog radarskog prijem-nika dobro emuliraju rad realnog prijem-nika radara, sto je bio jedan od osnovnih ciljeva ovog rada.
Modelovanjem konvencionalnih radara putem primene koncepta softverskog radara mogu se poboljsati njihove performanse. Realizacijom ove ideje
stvara se pogodna platforma za unapredi-vanje karakteristika postojecih konvencionalnih radara primenom modernih teh-nika obrade radarskog signala. Na osnovu ove realizacije moguce je unaprediti karakteristike postojeceg radara koje se odnose na precizne estimacije brzine de-tektovanih pokretnih ciljeva. Primenom koncepta softverskog radara moze se po-vecati fleksibilnost konvencionalnih radara, kao i implementirati potpuno nove funkcije koje znatno unapreduju njegove performanse.
Literatura:
[1] Ivkovic, D.: Koncept softverskog radara, VTG br. 1, MO RS Vojnoizdavacki zavod, 2007.
[2] Ivkovic, D.: Modifikacija konvencionalnih radara na bazi koncepta softverskog radara, VTG br. 2, MO RS Vojnoizdavacki zavod, 2007.
[3] Reed, J. H.: Software Radio, Comunications Enginering and Emerging Technologies, Prentice-Hall PTR, 2002.
[4] 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.
[5] Chung-Yi, C.: Modeling and simulation of a search radar receiver, Naval Postgraduate School Monterey California, septembar 1996.
[6] Grydeland, T.: Software radar signal processing, Annales Geophysicale, 2004.
[7] Popovic, M.: Digitalna obrada signala, Nauka, Beograd, 1996.
[8] Schleher, D. C.: MTI and Pulsed Doppler Radar, Artech House, USA Norwood, 1991.
