В этом примере показано, как использовать приложение Radar Designer для выполнения анализа бюджета радиолокационного канала и проектирования радиолокационной системы на основе набора требований к производительности. Radar Designer позволяет пользователю проектировать новую радиолокационную систему, начиная с одного из пяти заданных типов радаров, устанавливать требования к производительности, вычислять радиолокационные метрики, настраивать среду и сравнивать несколько альтернативных конструкций. Можно также экспортировать проект в виде сценария MATLAB ® для дальнейшего анализа.
Уравнение дальности РЛС - мощный инструмент, связывающий между собой основные параметры радиолокационной системы. Он может дать инженеру-радару хорошее представление о производительности системы, не прибегая к комплексному анализу и моделированию. Уравнение радара особенно полезно на ранних этапах проектирования, когда конкретная информация о различных компонентах (например, передаваемая форма сигнала, размер или форма антенной решетки, алгоритмы обработки сигнала и т.д.) еще не может быть доступна. Хотя уравнение радара дает только приблизительные результаты, точность анализа может быть значительно улучшена за счет учета потерь, вносимых компонентами радиолокационной системы и средой распространения сигнала. Приложение Radar Designer - это инструмент для выполнения радиолокационного анализа уравнений, также известный как анализ бюджета радиолокационной линии связи. Он предоставляет пользователю множество настраиваемых параметров для радиолокационной системы, цели и окружающей среды, а также предлагает набор визуализаций, помогающих выбрать эти параметры. Приложение Radar Designer также позволяет проектировать радиолокационную систему на основе набора требований к производительности.
В этом примере показано, как использовать приложение Radar Designer для проектирования радара наблюдения X-диапазона для обнаружения небольших целей. В основу проекта положены следующие технические требования:
Пиковая мощность передачи не должна превышать 2000 Вт
РЛС должна обеспечивать 360-градусное покрытие по азимуту и 60-градусное покрытие по высоте
РЛС должна обнаруживать малые пилотируемые самолеты с сечением 1 на дальностях от 300 м до 18 км
РЛС должна обнаруживать малые беспилотные самолеты (БПА) с сечением РЛС 0,03 на дальностях от 300 м до 8 км
Вероятность обнаружения и ложной тревоги должна составлять 0,9 и 1e-6 соответственно
РЛС должна разрешать две цели с одинаковым азимутом и отметкой, разделенными по дальности на 30 м
Радиолокатор должен иметь точность дальности, азимута и высоты 2 м, 0,2 град и 0,5 град соответственно
РЛС должна обнаруживать цели со скоростями до 180 км/ч
Радар должен сохранять свою точность и характеристики обнаружения в условиях сильного дождя (16 мм/ч)
Приложение Radar Designer можно запустить с помощью команды:
radarDesigner
По умолчанию приложение позволяет пользователю запускать новую или открывать существующую сессию с помощью соответствующих кнопок на панели инструментов. Новая сессия предлагает выбор одного из пяти предопределенных типов радаров: воздушная, аэропортовая, автомобильная, слежение и погода. В этом примере в качестве отправной точки используется радар аэропорта по умолчанию.
После загрузки нового сеанса приложение Radar Designer предоставляет пользователю следующие группы документов:
панели «Радар», «Цель» и «Окружающая среда» слева
SNR в сравнении с графиками «Диапазон» и «Геометрия сценария» в центре и справа
Таблица «Метрики и требования» внизу
В качестве первого шага после открытия нового сеанса мы меняем название текущего проекта в верхней части панели Радар на NewDesign.
В этом примере мы имеем спецификацию, подробно описывающую производительность конечной системы. Однако в нем не указаны все проектные параметры, необходимые для достижения требуемых уровней производительности. Большинство проектных параметров должны быть определены на основе требований, приведенных в спецификации. Приложение Radar Designer предоставляет способ выведения параметров конструкции радара из требований к производительности.
Показатели эффективности и соответствующие требования содержатся в Metrics and Requirements таблица. Для каждой метрики производительности приложение имеет два значения требований:
Threshold - описывает минимальный уровень производительности для метрики;
Objective - определяет значение метрики, которое позволит новой системе полностью удовлетворить потребности миссии.
Значения между Threshold и Objective представляют собой пространство для торговли, которое может использоваться инженером-радаром для уравновешивания многочисленных, иногда противоречивых требований к производительности.
Вычисленные метрики, показанные в таблице Метрики и требования (Metrics and Requirements), могут быть ограничены либо максимальным диапазоном, либо вероятностью обнаружения. Выбор переменной для использования в качестве ограничения осуществляется с помощью кнопки «Метрика» в разделе «Метрика» панели инструментов. Выбор максимального диапазона в качестве ограничения означает, что метрики производительности, отображаемые в таблице Метрики и требования (Metrics and Requirements), вычисляются в указанном максимальном диапазоне. Выбор вероятности обнаружения в качестве ограничения означает, что отображаемые метрики вычисляются в предположении заданного значения вероятности обнаружения. В этом примере нас интересуют два диапазона: 1) 18 км для пилотируемых самолетов и 2) 8 км для UAS. Мы начинаем с пилотируемого самолета и устанавливаем Metric в инструментальной полосе до ограничения максимальной дальности 18 км.
В качестве следующего шага заполняем Threshold и Objective значения таблицы Метрика (Metric) и Требования (Requirements) с номерами, указанными в спецификации. В этом примере спецификация предоставляет только одно значение для каждой метрики производительности. Мы используем это значение для установки Objective требование. Затем задаем соответствующий Threshold до разумного значения, близкого к Objective. Хотя требуемые рабочие характеристики системы определяются Objective требование, система считается имеющей приемлемую производительность, если Threshold требование выполнено. Такая гибкость необходима для создания торгового пространства для выбора конструктивных параметров, которые в противном случае было бы трудно или невозможно выбрать. Поскольку спецификация не содержит требований ко всем показанным в таблице метрикам, требования к этим метрикам остаются заданными значениями по умолчанию.
Параметры цели задаются на панели «Цель». Поскольку мы рассматриваем в первую очередь малый пилотируемый самолет, мы установили сечение РЛС цели на 1 . Модель Swerling изменяется на Swerling 1 моделирование более реалистичных колеблющихся целей.
После того, как требования и целевые параметры установлены, мы можем начать корректировать расчетные параметры РЛС так, чтобы вычисленные метрики соответствовали заявленным требованиям. Приложение Radar Designer предоставляет удобный способ мониторинга состояния вычисленных метрик при изменении значения параметров конструкции. Записи таблицы Metrics and Requirements кодируются цветом для указания состояния вычисленных метрик. Метрики, соответствующие Objective требования окрашены в зеленый цвет, метрики со значениями между Threshold и Objective окрашены в желтый цвет, и метрики, которые не соответствуют Threshold требования окрашиваются в красный цвет. Те же цвета также используются на графике SNR vs Range и Pd vs Range для отображения диапазонов, в которых удовлетворяются требования обнаружения.
Для гарантии обнаружения цели RCS 1 м2 на нужной дальности 18 км отрегулируем расчетные параметры РЛС, чтобы убедиться, что кривая SNR на графике SNR vs Range выше Objective Detectability линия на Max Range.
Расчетные параметры РЛС разделены на четыре секции. Каждая секция регулируется следующим образом:
Main. Рабочая частота РЛС и пиковая мощность устанавливаются на значения, приведенные в спецификации. Ширина полосы пропускания импульсов регулируется в соответствии с требованиями к разрешающей способности диапазона, а ширина импульса устанавливается для достижения достаточно высокого доступного SNR при максимальном диапазоне. Значение PRF 7 кГц выбирается для нахождения компромисса между однозначным диапазоном 21,4 км и максимальной однозначной скоростью 198 км/ч (первая слепая скорость 396 км/ч). График «Диапазон/доплеровский охват», доступный с помощью кнопки «Диапазон/доплеровский охват» в разделе «Анализ» инструментальной полосы, используется для визуализации торгового пространства между скоростью и диапазоном цели.
Antenna and Scanning. Высота антенны, наклон и поляризация остаются неизменными. Ширина антенного луча по азимуту и отметке устанавливается на 2 и 6 градусов соответственно для соответствия требованиям точности по азимуту и отметке. Для параметра «Режим сканирования» установлено значение Mechanical для облегчения 360-градусного покрытия по азимуту, и размер отметки сектора сканирования устанавливается равным 60 градусам, как указано в данном описании. В разделе «Антенна и сканирование» также показано, что размер поискового тома составляет 5,441 стерадиана, а время сканирования этого тома - 6,38 секунды. Включение сканирования в анализ добавляет потери формы луча и коэффициент удержания луча в бюджет связи.
Detection and Tracking. Вероятность ложной тревоги устанавливается в требуемое значение 1e-6. Количество когерентно интегрированных импульсов выбирается таким образом, чтобы Objective Detectability значение, определяющее SNR, необходимое для обнаружения цели случая Swerling 1 с желаемыми вероятностями обнаружения и ложной сигнализации 0,9 и 1e-6 соответственно, ниже доступного SNR при заданном ограничении максимальной дальности 18 км.
Loss Factors. Для учета потерь из-за импульсного затмения добавим статистические потери затмения в анализ бюджета канала.
После этих корректировок в таблице «Metric and Requirements» (Метрические показатели и требования) показано, что данная конструкция удовлетворяет техническим требованиям для малых пилотируемых самолетов с RCS 1 или больше. На графике SNR vs Range можно увидеть, что коэффициент обнаруживаемости, необходимый для достижения Objective вероятность обнаружения 0,9 составляет приблизительно 10 дБ, тогда как коэффициент обнаруживаемости для Threshold требование 0,75 близко к 5 дБ. Поскольку доступная кривая SNR находится выше Objective Detectability линия на 18 км, результирующая вероятность обнаружения выше требуемой Objective значение и равно 0,92. Таблица Metrics and Requirements также показывает, что минимальный обнаруживаемый сигнал, необходимый для обнаружения цели 1 м2 с такой вероятностью обнаружения, составляет -92 дБм.
До сих пор этот пример предполагал распространение свободного пространства без какого-либо ослабления атмосферы. Чтобы сделать анализ более точным, потери из-за распространения и атмосферного затухания могут быть включены и параметризованы через Environment панель.
В спецификации указано, что проектируемая РЛС должна поддерживать требуемые характеристики обнаружения и точность измерения при сильном дожде (16 мм/ч). Чтобы включить потерю пути из-за осадков в анализ, мы задаем Precipitation Type кому Rain в Precipitation в разделе Environment панель. Затем мы выбираем модель ITU и устанавливаем диапазоны осаждения таким образом, что дождь 16 мм/ч присутствует во всех интересующих диапазонах. Теперь Metrics and Requirements таблица и график SNR vs Range показывают, что вероятность обнаружения на максимальном диапазоне намного ниже требуемого 0,9.
Environmental Losses график дает лучшее представление о вкладе потерь осадков в общий бюджет потерь. Доступ к нему осуществляется с помощью кнопки «Экологические потери» в разделе «Анализ». Этот график визуализирует четыре типа зависящих от диапазона потерь из-за распространения и ослабления атмосферы. Precipitation Loss график показывает, что дождь 16 мм/ч создает дополнительную потерю 4,8 дБ на 18 км. Это приводит к снижению вероятности обнаружения от 0,92 до 0,55, что ниже Threshold требование. Таким образом, производительность системы становится неприемлемой в условиях сильного дождя и не соответствует техническим условиям.
Вероятность обнаружения может быть повышена либо путем увеличения SNR, доступного в приемнике, либо путем уменьшения SNR, требуемого для выполнения обнаружения (коэффициент обнаруживаемости). Последний подход может быть более привлекательным на практике, поскольку снижение коэффициента обнаруживаемости может быть достигнуто посредством применения методов обработки сигналов, которые не требуют внесения изменений в аппаратные средства. Коэффициент обнаруживаемости может быть уменьшен путем интегрирования большего количества импульсов. Однако целевое колебание RCS обычно накладывает ограничение на количество импульсов, которые могут быть когерентно интегрированы. Возможным решением для интегрирования большего количества импульсов при решении проблемы флуктуации RCS является интеграция M-of-N на нескольких когерентных интервалах обработки (CPI). В каждом ИПЦ импульсы интегрируются когерентно, а затем по ИПЦ применяется интеграция M-of-N. Переход к Radar и установки количества CPI в Detection and Tracking сечение до 3 и количество CPI с обнаружением до 2 увеличивает результирующую вероятность обнаружения с 0,55 до 0,81.
Хотя вероятность обнаружения все еще ниже указанной Objective значение, оно соответствует Threshold требование. Это означает, что система имеет приемлемые характеристики обнаружения в условиях сильного дождя. Аналогично, точность диапазона, азимута и отметки очищает Threshold требования, но ниже их соответствующих Objective значения.
Откройте эту конструкцию в Radar Designer.
radarDesigner('SurveillanceRadarSmallTargets.mat')
Чтобы проверить, будет ли эта конструкция РЛС иметь удовлетворительную производительность, когда целью является малая UAS, мы меняем целевую RCS на 0,03 и устанавливаем ограничение метрики на максимальную дальность 8 км. График SNR vs Range показывает, что доступное SNR для этой конструкции выше Objective Detectability линия на 8 км, а результирующая вероятность обнаружения на этой дальности 0,94, что значительно выше требуемого значения. Система способна удовлетворить целевое требование по вероятности обнаружения на 8 км, поскольку воздействие атмосферного затухания меньше на более близких расстояниях.
Результирующий диапазон и точность отметок, однако, все еще ниже Objective и выше Threshold требования
.
Конструктор радаров позволяет экспортировать созданную конструкцию в виде сценария MATLAB, нажав кнопку Export (Экспорт) в разделе Export (Экспорт) панели инструментов и выбрав Export SNR vs Range MATLAB Script. Экспортированный сценарий содержит выбранные параметры радара, цели и среды и воспроизводит график SNR vs Range. Его можно использовать для дальнейших экспериментов, улучшения и модификации конструкции. Кроме того, результаты, показанные в таблице Метрики и требования (Metrics and Requirements), можно также экспортировать как отдельный сценарий MATLAB, щелкнув Экспорт (Export), а затем выбрав Создать отчет метрики (Generate Metrics Report). При выполнении этот сценарий выводит форматированный отчет для вычисленных метрик.
В этом примере показано, как использовать приложение Radar Designer для анализа бюджета связи радиолокационной системы наблюдения для обнаружения малых целей. Пример начинается со спецификации и набора требований к производительности. Он показывает, как установить Objective и Threshold требования на основе значений, приведенных в спецификации. Затем демонстрируется, как регулировать параметры конструкции РЛС с помощью графика SNR vs Range и цветового кодирования стоп-света так, чтобы конструкция соответствовала заявленным требованиям. В примере также показано, как изменить целевые параметры для моделирования пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов, а также как настроить параметры среды для включения в анализ атмосферных потерь из-за выпадения осадков.