Elektronika 2009-11.pdf - Instytut Systemów Elektronicznych

Adaptacyjne tłumienie ech od obiektów
stałych
Do tej pory ten problem był przemilczany, ale bez pozbycia
się ech stałych cała idea radaru PCL byłaby mało przydatna.
Wspomniano już wprawdzie, że formując wiązki obserwacyjne,
można zadbać o to, aby miały one minima na kierunkach
obiektów stałych, ale w praktyce jest to trudne i ma
ograniczoną skuteczność. Można próbować uformować minimum
na kierunku jednego czy dwóch obiektów stałych, ale takich
obiektów może być w okolicy wiele i trudno jest
uformować minimum charakterystyki na kierunku każdego
z nich. Formowanie minimów charakterystyki anteny jest tylko
pomocą w rozwiązaniu problemu, ale nie zapewnia jego skutecznego
rozwiązania. Z techniki klasycznych radarów wiadomo,
że staranne zaprojektowanie charakterystyki może
w sprzyjających warunkach dać minimum o głębokości rzędu
30…40 dB względem maksimum. To jest, jak się okazuje, daleko
niewystarczające w przypadku PCL. Warto to powrócić
do rys. 10, aby uświadomić sobie, w czym jest problem.
W klasycznym radarze silne echa stałe, jeśli nie zostaną
skutecznie stłumione, powodują maskowanie obecności
słabych ech użytecznych w ograniczonym obszarze. W najgorszym
przypadku obserwacja może być utrudniona nawet
w pełnym kącie azymutu wokół radaru do pewnej odległości,
np. 30 km, ale dalej echa stałe znikają za horyzontem i na
wskaźniku już jest „czysto”. W radarze PCL nie można liczyć
na taki komfort. Silne echo stałe jest obecne w całym zakresie
obserwacji, działając podobnie jak przenikanie sygnału
bezpośredniego z nadajnika, czyli podwyższając szum, na tle
którego są wykrywane echa ruchome.
Aby pokazać ten problem powróćmy do przykładu
z rys. 6, gdzie nadajnik jest odległy od odbiornika o 20 km.
Rozpatrzmy obiekt stały A o bardzo dużej SPO, np. 100 m 2 ,
położony blisko linii bazowej, na elipsie gdzie: R A1 +R A2 =
23,5 km oraz obiekt powietrzny B o małej SPO, np. 1 m 2 ,
znajdujący się na tym podobnym kierunku względem odbiornika,
zlokalizowany tak, że R B1 +R B2 = 56 km. Z wcześniejszych
rozważań dotyczących zasięgu wynika, że stosunek
mocy obydwu ech wyniesie 100(R B1 R B2 ) 2 /(R A1 R A2 ) 2 . W podanej
sytuacji R A1 =R A2 = 11,75 km oraz R B1 = 22,5 km,
R B2 = 33,5 km, a stosunek mocy ech od obiektów B i A wyniesie
100•22,5 2 •33,5 2 /11,75 4 ≅ 35 dB. Na rysunku 14 pokazano,
jak suma ech od tych dwóch obiektów zostanie
przetworzona na funkcję korelacji po zasymulowaniu sygnału
nadajnika szumem.
W symulacji zastosowano realistyczny czas obserwacji
równy jednej sekundzie przy częstotliwości próbkowania
200 kHz, czyli przetwarzaniu poddano 200 tys. próbek. Pierwsze,
co rzuca się w oczy, to brak rozróżnienia obydwu ech
w głównej części wykresu. Jest to praktyczny skutek tego, co
zostało zasygnalizowane wcześniej (por. rys. 10). W czasie sekundy
fala przebywa drogę 300 tys. km, więc próbki sygnału odmierzają
odcinki drogi 1,5 km. Numery próbek na wykresie są
miarą opóźnienia sygnału względem momentu jego emisji przez
nadajnik (bez odjęcia czasu opóźnienia sygnału bezpośredniego).
W tej skali wszystkie wykrywane echa, przebywające
drogę dziesiątek kilometrów, będą skupione w obrębie kilkudziesięciu
próbek. Bliższe echo (A) rozpatrywanego przykładu
reprezentuje próbka nr 15, a dalsze (B) - próbka nr 37. Dopiero
mocny „zoom”, pokazany w dodatkowym oknie wykresu, pozwala
je odróżnić. Jednak decydująca jest tu inna obserwacja.
Widać na rys. 14, że silne echo, poza wąską „szpilką”
funkcji korelacji, daje pewne tło tzw. czasowych listków bocznych.
Jest ono relatywnie niskie w porównaniu do amplitudy
Rys. 14. Funkcja korelacji sumy ech dwóch obiektów, silnego
i słabego
Fig. 14. Correlation function of the sum of two, strong and weak,
target echoes
tej szpilki; przy czasie integracji jednej sekundy jest to ok.
-45 dB. Jednak listki boczne silnego echa są porównywalne
do amplitudy echa słabego. W przypadku dwóch rozpatrywanych
obiektów A i B widać jeszcze szansę wykrycia echa słabszego,
ale już na granicy wymaganego prawdopodobieństwa.
Echa bardziej odległych małych obiektów powietrznych będą
jeszcze słabsze i mogą być w „towarzystwie” silnych ech
stałych niewykrywalne, zwłaszcza że przykładowe echo odpowiadające
100 m 2 SPO nie należy do najsilniejszych.
Oprócz obiektów punktowych o znacznie większej SPO należy
się liczyć z bardzo silnym echem o charakterze powierzchniowym,
wynikającym z oświetlenia powierzchni ziemi
bardzo szeroką wiązką przy znacznym rozmiarze (1…2 km)
komórki rozdzielczości odległościowej.
Warto tu zauważyć, że jako szczególnie silne echo stałe
można traktować sygnał bezpośredni nadajnika. Dlatego problem
usuwania sygnału bezpośredniego i silnych ech stałych
należy rozpatrywać łącznie. Metodyka usuwania tej kategorii
niepożądanych sygnałów generalnie opiera się na ich stabilnym
charakterze. Tworzy się powierzchniową mapę takich
sygnałów, aby następnie poddać je wektorowemu odejmowaniu
od bieżącego sygnału; sygnały o niezmiennych amplitudach
i fazach zostają zredukowane, a sygnały użyteczne
ech ruchomych przechodzą z nieznacznymi stratami. Jest to
określane jako adaptacyjne tłumienie ech stałych. Opisywanie
tej techniki nie byłoby tu ani ciekawe, ani celowe. Cały wywód
w tym punkcie ma tylko pokazać, jak ważne jest skuteczne
osłabienie silnych ech stałych, aby można było mówić o sensownie
użytecznym zasięgu wykrywania celów powietrznych.
Dopiero po tej operacji można przystąpić do zasadniczej fazy,
czyli wykrywania obiektów powietrznych poprzez korelację
sygnału bezpośredniego z sygnałem echa.
Korelacja dwuwymiarowa R x D
Wiemy już, że funkcja korelacji daje maksymalną wartość
w momencie, kiedy dwa sygnały wykazujące podobieństwo
dokładnie „nakładają się” w procesie jej obliczania (krok nr 4
na rys. 2). Można by na tej podstawie oczekiwać, że poddając
procesowi korelacji sygnał bezpośredni z nadajnika i sygnał
zawierający echa od obiektów powietrznych otrzymamy
pewną liczbę „wyskoków” funkcji korelacji, każdy z nich reprezentujący
określone echo o innym opóźnieniu, jeśli wszystkie
z nich są kopiami sygnału nadajnika. Kłopot jednak polega
na tym, że nie są. Rozważamy przecież echa od obiektów ru-
ELEKTRONIKA 11/2009 109