Tehnici de procesare a semnalelor radar bazate pe eprezentarile timp-frecventa

TEHNICI DE PROCESARE A SEMNALELOR RADAR BAZATE PE EPREZENTARILE TIMP-FRECVENTA

1. Generalitati

O prima etapa in procesarea primara a semnalului RADAR o constituie prezentarea acestuia intr-o forma adecvata scopului urmarit, si cat mai accesibila sistemului de procesare. Aceasta etapa premergatoare procesarii propriu - zise, mai poarta denumirea si de preprocesare. Urmeaza apoi etapa urmatoare a prelucrarii, in care pe baza unui algoritm, ales in concordanta cu scopul urmarit si cu forma de reprezentare a semnalului din etapa anterioara se realizeaza imbunatatirea raportului Semnal util/ Zgomot . De asemenea, trebuie sa se faca reconstituirea semnalului cu parametrii purtatori de informatie, intr-o forma adecvata sistemului care va efectua etapa urmatoare a procesarii, denumita si postprocesare.

Fig.1.5.

In Fig.1.5 este prezentat un model de prelucrare primara a semnalului RADAR. In etapa de preprocesare se va face o reprezentare timp-frecventa convenabila a semnalului. Ca model de reprezentare  se va utiliza in acest caz functia de incertitudine pentru banda larga care rezolva problema semnalelor nestationare, de banda foarte larga cu spectru imprastiat.

2. Metode de procesare a semnalului radar bazate pe reprezentarile de tipul TW si a functiei de incertitudine de banda larga

Daca semnalul ecou este nestationar (situatia cel mai adesea intalnita in practica) si acesta este descris printr-o succesiune de semnale de durata limitata, dintre care unele sunt de durata mare si cu viteza de variatie redusa (grupari de tinte fixe de dimensiuni mari, reflexii de la dipoli ,formatiuni noroase sau zone ionizate), unele de durata medie (semnal util reflectat de catre tintele in miscare) iar altele sunt scurte si cu variatie rapida, ar fi necesar ca acest semnal sa fie prelucrat cu ajutorul unei reprezentari timpfrecventa care sa foloseasca o fereastra de profil variabil (Fig.1.6.)

Fig.1.6.

Pornind de la aceste considerente, reprezentarea bidimensionala adecvata semnalului ecou nestationar ar fi reprezentarea timp-frecventa de tip transformare Wavelet (TW).

y(t) -semnalul ecou;

(t) -"undisoara mama" in raport cu care se face reprezentarea

Aceasta mai poate fi denumita si o reprezentare de tipul timp-factor de scara. Daca se considera ca parametrul s este un raport de frecvente s=f/f₀ , unde f reprezinta frecventa centrala a filtrului FTB cu raspunsul la impuls (t), atunci reprezentarea timp-factor de scara devine o reprezentare timp - frecventa adaptiva a semnalului ecou relativ la undisoara (t)

Modelul matematic al semnalului receptionat, in absenta bruiajului este o replica retardata si scalata a semnalului de sondaj.

Iesirea receptorului corelational este in acest caz :

Dupa cum se observa din relatia anterioara, calculul corelational coincide cu TWC a semnalului receptionat y(t), folosind ca undisoara semnalul de sondaj x(t).

R_y,x(s,τ)=T_y/x^TWC(s,τ)

Prelucrarea semnalului ecou pe baza acestui principiu presupune obtinerea replicilor retardate si scalate ale semnalului ecou , x_sτ(t), care se vor folosi apoi ca si "tipare" de comparatie corelationala cu semnalul ecou y(t). Cand cele doua semnale se "potrivesc" cel mai bine, rezulta un maxim al functiei de corelatie. Semnalul prezumtiv care conduce la obtinerea corelatiei maxime furnizeaza o estimare a parametrilor s si Schema receptorului corelational de B.L. este prezentata in Fig.1.7.

Fig.1.7.

Dupa selectarea valorii maxime, detectarea unui obiect in zona de supraveghere radar este realizata pentru |R_y,x(s_i,τ_i)|=|T_y/x^TWC(s_i,τ_i)| >=R₀

Estimarea parametrilor (s_i,τ_i)corespunde determinarii vitezei radiale v_ri si distantei D_i a tintei.

Prin utilizarea modelului de implementare a TWC se simplifica mult structura receptorului corelational de B.L., se obtine un banc de filtre adaptate, dupa coeficientul de scala s_n .(Fig.1.8.)

Fig.1.8.

Considerand acum semnalul ecou ca fiind bruiat aditiv cu perturbatia n(t) se obtine

Prin notatiile t=α/s₁+τ₁, s'=s/s₁, τ'=s₁(τ-τ₁) in locuind in relatia R_y,x(τ,s,τ_1,s₁) se obtine functia de incertitudine de banda larga, FIBL:

Functia de incertitudine de banda larga, descrisa de relatia anterioara admite un maxim absolut pentru (s,τ

Problema esentiala care trebuie rezolvata in cadrul procesarii primare a semnalului radar este atenuarea pe cat posibil a termenului perturbator din relatia R_yx(s,τ), care se regaseste la iesirea filtrului corelational de BL, impreuna cu semnalul util de tip functie de incertitudine.Termenul perturbator este prezent sub forma unei reprezentari de tip TWC, care este adecvata semnalelor nestationare. De asemenea si functia de incertitudine de BL este sub forma unei TWC.

Pentru implementarea schemei de rejectie a perturbatiei se considera la intrarea corelatorului i, semnalul: y(t)=y_u(t)+n(t) unde y_u(t) reprezinta semnalul util.

Pentru o separare temporala a perturbatiei de semnalul util se va folosi o perioada de "tacere", inaintea emisiei semnalului de sondaj, perioada in care se receptioneaza numai perturbatia n(t t Astfel canalul i al receptorului corelational se va completa cu o celula de compensare (Fig.1.9 )

Fig.1.9.

Se observa ca prelevarea perturbatiei pentru calculul termenului compensator se se face in avans fata de momentul receptiei si procesarii semnalului ecou, aceasta fiind de fapt modalitatea fizica de separare a

perturbatiei. Evident in cazul unor bruiaje puternic nestationare coeficientul compensator T_n poate sa difere intr-o oarecare masura de coeficientul real al perturbatiei T_n^TWC(s_i,τ_i). Dar oricum se poate presupune ca el va prezenta o stabilitate mai buna decat coeficientii de natura pur temporala sau pur spectrala, iar compensarea in spatiul reprezentarii de tip TW va da rezultate mai bune decat compensarea in alte spatii de reprezentare. In plus, prin calculul TWC se rezolva si problema filtrarii adaptive a semnalului ecou.

Concluzionand , se poate observa ca prin acest procedeu de procesare se rezolva intr-o oarecare masura problema nestationaritatii, utilizandu-se in calcule variabila aleatoare T_n, care are media si dispersia constante.(demonstartia este in cartea sursa)

Compensarea se poate face la fel si in cazul bancului de filtre adaptate astfel se poate obtine urmatoarea schema, ca si imbunatatire a Fig.1.8.:

Fig1.10.

Sistemele prezentate pot sa imbunatateasca semnificativ raportul semnal util/perturbatie prin utilizarea simultana a doua procedee: filtrare adaptiva, respectiv compensarea componentelor perturbatoare in spatiul de reprezentare timp - frecventa de tipul TW. Totusi, in cazul unor semnale perturbatoare puternic nestationare, de aceasi forma ca replica asteptata a semnalului ecou sistemul de compensare poate introduce erori prin insumarea unor componente perturbative preluate in perioada de "ascultare" si care nu mai exista in perioada de procesare. Aceste erori se manifesta fie prin anularea unui semnal util, in cazul in care acesta exista, fie prin aparitia unui "ecou" fals de valoare negativa in cazul in care nu exista semnal util. Ultima situatie se poate rezolva din punct de vedere tehnic considerandu-se semnalul util cu valoarea pozitiva, componentele negative ale compensarii eronate eliminandu-se automat. Prima situatie se poate si ea rezolva printr-un procedeu al radiolocatiei clasice si anume detectia cumulativa pe mai multe perioade de observare, avand in vedere ca semnalul perturbator este singular. Se demonstreaza astfel ca tehnica de procesare prezentata este complementara tehnicilor radiolocatiei clasice.

Bibliografie

Teza de doctorat-" Metode moderne de procesare a semnalelor radar, bazate pe reprezentari timp-frecventa"  -ing.Crisan Viorel Dorin UPT

Editura universitatii din Oradea 2008 "Analiza si sinteza semnalelor" - Cornelia Gordan, Romulus Reiz