Задайте радар

Чтобы запуститься, задайте длинный диапазон C-полосы, терминальный радар наблюдения аэропорта следующими параметрами:

rdrppower = 1e3;            % Peak power (W)
fc = 6e9;                   % Operating frequency (Hz)
hpbw = [2; 5];              % Half-power beamwidth [azimuth; elevation] (deg)
rdrpulsew = 1e-6;           % Pulse width (s)
lambda = freq2wavelen(fc);  % Wavelength (m)

Преобразуйте передатчик ширина луча на уровне половинной мощности (HPBW) значения, чтобы получить использование beamwidth2gain функция. Примите косинус прямоугольная апертура, которая является хорошим приближением для реальной антенны.

rdrgain = beamwidth2gain(hpbw,'CosineRectangular'); % Transmitter and receiver gain (dB)

Задайте радарное наземное местоположение как Гору Рокки Столичный Аэропорт в Брумфилде, Колорадо, США. Радар смонтирован на башне 10 метров над землей. Радарная высота является суммой наземного вертикального изменения и радарной высоты башни, на которую ссылаются к среднему уровню моря (MSL).

rdrlat = 39.913756;         % Radar latitude (deg)
rdrlon = -105.118062;       % Radar longitude (deg)
rdrtowerht = 10;            % Antenna height (m)
rdralt = 1717 + rdrtowerht; % Radar altitude (m)

Чтобы визуализировать радарное местоположение, импортируйте соответствующие данные о ландшафте от Геологической службы США (USGS).

dtedfile = "n39_w106_3arc_v2.dt1";
attribution = "SRTM 3 arc-second resolution. Data available from the U.S. Geological Survey.";
[Zterrain,Rterrain] = readgeoraster(dtedfile,"OutputType","double");

% Visualize the location using the geographic globe plot.
addCustomTerrain("southboulder",dtedfile,"Attribution",attribution);
fig = uifigure;
g = geoglobe(fig,"Terrain","southboulder");
hold(g,"on")
h_rdrtraj = geoplot3(g,rdrlat,rdrlon,rdralt,"ro","LineWidth",6,"MarkerSize",10);

Обратите внимание на то, что пределы для файла соответствуют области вокруг Булдера, Колорадо, США, и разрешение соответствует уровню 1 DTED, который имеет демонстрационное разрешение 3 секунд дуги или приблизительно 90 метров.

Задайте цель

Рассмотрите большой коммерческий самолет как цель. Примите, что траектория самолета является маневром штопора, где самолет убывает быстро в спирали.

tlat0 = 39.80384;           % Target initial latitude (deg)
tlon0 = -105.49916;         % Target initial longitude (deg)
tht0 = 3000;                % Target initial height (m)
azs = 1:2:540;              % Target azimuth (deg)
r = 5000;                   % Target slant range (m)

% Convert from polar coordinates to Cartesian East, North, Up (ENU).
[X,Y] = pol2cart(deg2rad(azs),r);

% Convert ENU to geodetic.
Z = linspace(0,1000,numel(azs));
wgs84 = wgs84Ellipsoid;
[tlat,tlon,tht] = enu2geodetic(X,Y,Z,tlat0,tlon0,tht0,wgs84);

% Define the target altitude.
talt = tht - egm96geoid(tlat,tlon); % Target altitude (m)

Для простоты примите, что waypoints получены на постоянной частоте дискретизации 0,1 Гц. Траектория может быть сгенерирована с помощью geoTrajectory с положениями, заданными как широта, долгота и высота.

fs = 0.1;
t = (0:length(X)-1)/fs;
ttraj = geoTrajectory([tlat.' tlon.' talt.'],t,'SampleRate',fs);

Траектория основной истины построена по ландшафту можно следующим образом:

h_ttraj = geoplot3(g,tlat,tlon,talt,"yo","LineWidth",3);
campos(g,39.77114,-105.62662,6670)
camheading(g,70)
campitch(g,-12)

Радарное сечение (RCS) для самолета обычно от 1 до 10 квадратных метров. В данном примере рассмотрите самолет как изотропную цель точки с RCS 10 квадратных метров.

trcs = pow2db(10);          % Target RCS (dBsm)

Симулируйте сценарий

Теперь, когда радар и цель были заданы, создайте сценарий, который состоит из терминального радара аэропорта и большого коммерческого самолета в присутствии гористой помехи. Запустите симулированный сценарий на время траектории самолета.

scene = radarScenario('IsEarthCentered',true,'UpdateRate',fs,'StopTime',t(end));
rdrplatform = platform(scene,'Position',[rdrlat,rdrlon,rdralt],'Sensor',radarDataGenerator);
tplatform = platform(scene,'Trajectory',ttraj,'Signatures',...
    {rcsSignature('Azimuth',[-180 180],'Elevation',[-90 90],'Pattern',trcs)});

Путь угла обзора от радара до цели определяется для каждой точки в целевой траектории. Для местоположений, где самолет не закрывается ландшафтом, значение ОСШ вычисляется с помощью основного уравнения радиолокации, включая фактор распространения вдоль пути.

Фактор распространения вычисляется с помощью radarpropfactor функция. Модель проницаемости по умолчанию в radarpropfactor основан на морской модели проницаемости в "Графическом выводе машины Блэйком Радарных Схем Покрытия Вертикальной Плоскости". Такая модель не применима для заданного сценария. Таким образом первый шаг в симуляции более реалистического распространения должен выбрать более соответствующую проницаемость. Используйте earthSurfacePermittivity функция с флагом растительности. Примите температуру окружающей среды 21,1 градусов Цельсия, которая составляет приблизительно 70 градусов по Фаренгейту. Примите гравиметрическое содержание воды 0,3.

temp = 21.1;                % Ambient temperature (degrees Celsius)
gwc = 0.3;                  % Gravimetric water content
[~,~,epsc] = earthSurfacePermittivity('vegetation',fc,temp,gwc);

Вычислите фактор распространения использование radarpropfactor функция. Включайте следующее в вычисление:

tsnr = -inf(size(t));
F = zeros(size(t));
trange = zeros(size(t));
isVisible = false(size(t));
idx = 1;

while advance(scene)
    tpose = pose(tplatform,'CoordinateSystem','Geodetic');
    tpos = tpose.Position;
    [isVisible(idx),~,~,h] = los2(Zterrain,Rterrain,rdrlat,rdrlon, ...
        tpos(1),tpos(2),rdralt,tpos(3),"MSL","MSL");
    hgtStdDev = std(h);
    if isVisible(idx)
        trange(idx) = norm(tpos);
        F(idx) = radarpropfactor(trange(idx),fc,rdralt,tpos(3), ...
            'SurfaceRelativePermittivity',epsc,...
            'SurfaceHeightStandardDeviation',hgtStdDev, ...
            'ElevationBeamwidth',hpbw(2));
    end
    idx = idx+1;
end

Вычислите ОСШ вдоль траектории.

tsnr(isVisible) = radareqsnr(lambda,trange(isVisible).',rdrppower,rdrpulsew,...
    'RCS',trcs,'Gain',rdrgain,'PropagationFactor',F(isVisible).');

Затем постройте ОСШ вдоль траектории.

tsnr_finiteidx = ~isinf(tsnr);
tsnr_cidx = zeros(size(tsnr));
cmap = colormap(g);
numclvls = size(cmap,1);
tsnr_cidx(tsnr_finiteidx) = discretize(tsnr(tsnr_finiteidx),numclvls-1);
tsnr_cidx(~tsnr_finiteidx) = numclvls;

delete(h_ttraj);
hsnr = zeros(size(tsnr));
for m = 1:numel(tsnr)
    hsnr(m) = geoplot3(g,tlat(m),tlon(m),talt(m),'Marker','o','LineWidth',2,'MarkerSize',1);
    if tsnr_finiteidx(m)
        set(hsnr(m),'Color',cmap(tsnr_cidx(m),:));
    else
        set(hsnr(m),'Color','r');
    end
end

Когда самолет выполняет маневр штопора, ОСШ полученного сигнала может варьироваться, как показано на рисунке. Радар имеет свободное представление самолета, если существует путь угла обзора. Красный фрагмент траектории указывает, что нет никакого пути угла обзора между самолетом и радаром.

Для нашего радара наблюдения желаемый индекс эффективности является вероятностью обнаружения (Pd) 0,9 и вероятность ложного предупреждения (PFA) ниже 1e-6. Чтобы сделать разработку радарных систем более выполнимой, мы можем использовать импульсный метод интегрирования, чтобы уменьшать необходимый ОСШ. Для этой системы мы принимаем некогерентное интегрирование 32 импульсов. Хорошее приближение минимального ОСШ, необходимого для обнаружения в заданном Pd и PFA, может быть вычислено detectability функция как

pd = 0.9;
pfa = 1e-6;
minsnr_32p = detectability(pd,pfa,32);
isdetectable_32p = tsnr >= minsnr_32p;

Мы можем теперь наблюдать, в которой части траектории цель обнаруживаема (отображенный зеленым), учитывая минимальное требование ОСШ. Обратите внимание на то, что существование ссылки угла обзора не гарантирует, что цель обнаруживаема.

for m = 1:numel(tsnr)
    if isdetectable_32p(m)
        set(hsnr(m),'Color','g');
    else
        set(hsnr(m),'Color','r');
    end
end

Чтобы улучшить обнаружительную способность с радарами наблюдения, часто радарные инженеры обсуждают максимизацию апертурного степенью продукта системы. Это обычно переводит в увеличение физического размера или пиковой мощности системы. Это может также быть рассмотрено в терминах времени освещения (i.e., энергия на цели). Некоторые методы, чтобы улучшить обнаружительную способность включают:

Вышеупомянутый список, в то время как никоим образом не исчерпывающий, демонстрирует некоторые компромиссы в проекте терминальной системы наблюдения аэропорта. В данном примере мы увеличим пиковую мощность. Поскольку это - наземная система, мы не ожидали бы увеличивать степень быть слишком обременительными. Кроме того, другие радары аэропорта как ASR-9 действуют в пиковой мощности приблизительно 1 МВт. Поскольку это - радар аэропорта, нет никакой потребности в требованиях линии на дюйм.

Рассмотрите случай, где пиковая мощность увеличена до 10 кВт.

rdrppower = 10e3;          % Peak power (W)

% Recalculate the SNR along the trajectory.
tsnr(isVisible) = radareqsnr(lambda,trange(isVisible).',rdrppower,rdrpulsew,...
    'RCS',trcs,'Gain',rdrgain,'PropagationFactor',F(isVisible).');

% Determine the regions of the trajectory that are now detectable given the
% newly updated SNR.
isdetectable_32p = tsnr >= minsnr_32p;

Заметьте, что путем увеличения пиковой мощности, области в конце траектории, которые были ранее не обнаружены теперь, удовлетворяют минимальному порогу ОСШ.

for m = 1:numel(tsnr)
    if isdetectable_32p(m)
        set(hsnr(m),'Color','g');
    else
        set(hsnr(m),'Color','r');
    end
end

Сводные данные

В этом примере ОСШ вычисляется и визуализируется для наземного, терминального радара наблюдения аэропорта дальнего, для которого определяют задачу с обнаружением самолета в присутствии тяжелой, гористой помехи. Пример показал, как вычислить угол обзора, учитывая целевую траекторию. Мы также узнали, что существование ссылки угла обзора не обязательно гарантирует, что цель обнаруживаема. Этот пример полагал, что некоторые компромиссы проекта улучшили целевую обнаружительную способность, обсудив, как радарные параметры могут быть изменены, чтобы совпадать с другими системными требованиями. Пример может быть легко расширен для другого самолета, различных наборов траектории и различных карт ландшафта.

% Clean up by closing the geographic globe and removing the imported
% terrain data.
if isvalid(fig)
    close(fig)
end
removeCustomTerrain("southboulder")