Работа радиолокационной системы в значительной степени зависит от условий, в которых она работает. Хотя потери на расширение свободного пространства могут быть такими, что целевое отношение сигнал/шум (SNR) не удовлетворяет минимальному порогу обнаруживаемости для желаемой вероятности обнаружения и вероятности ложной тревоги, обнаруживаемость цели может дополнительно пострадать, когда считается местность, так как может не быть прямой, беспрепятственной линии визирования от радара к цели. Как вы увидите в этом примере, когда высота цели увеличивается над рельефом местности, радар имеет больше шансов обнаружить цель.
В этом примере вы узнаете, как анализировать работу наземного радиолокатора дальнего аэровокзала с целью обнаружения воздушного судна при наличии сильного горного нагромождения. В примере сначала определяются рабочие характеристики радиолокационной системы и ее глобальное положение. Далее определяются цель и ее траектория. Наконец, обнаруживаемость цели при ее движении по траектории будет представлена вместе с подробными визуализациями.
В этом примере требуется панель инструментов сопоставления.
Для запуска укажите радиолокатор дальнего и конечного наблюдения аэропорта C-диапазона со следующими параметрами:
Пиковая мощность: 1 кВт
Рабочая частота: 6 ГГц
Передающая и приемная антенна: 2 градуса по азимуту, 5 градусов по отметке
Длительность импульса: 1 мкс
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)
Преобразование значений ширины луча половинной мощности передатчика (HPBW) для усиления с помощью beamwidth2gain функция. Предположим, косинусная прямоугольная апертура, которая является хорошим приближением для реальной антенны.
rdrgain = beamwidth2gain(hpbw,'CosineRectangular'); % Transmitter and receiver gain (dB)
Определите местоположение радара как столичный аэропорт Рокки-Маунтин в Брумфилде, штат Колорадо, США. Радар установлен на башне в 10 метрах над землей. Высота РЛС представляет собой сумму высоты земли и высоты башни РЛС, относящейся 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)
Для визуализации радиолокационного местоположения импортируйте соответствующие данные о местности из Геологической службы Соединенных Штатов (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, что пределы для файла соответствуют региону вокруг Боулдера, Колорадо, США, а разрешение соответствует уровню DTED-1, который имеет разрешение образца 3 дуговых секунды или около 90 метров.
Рассмотрим в качестве цели большой коммерческий самолет. Предположим, что траектория самолета представляет собой штопорный маневр, при котором самолет быстро опускается по 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 предположим, что ППМ получают при постоянной частоте дискретизации 0,1 Гц. Траектория может быть сгенерирована с помощью geoTrajectory с позициями, заданными как широта, долгота и высота.
fs = 0.1;
t = (0:length(X)-1)/fs;
ttraj = geoTrajectory([tlat.' tlon.' talt.'],t,'SampleRate',fs);
Траектория истинности земли строится по местности 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)
Сечение РЛС (RCS) для летательного аппарата обычно составляет от 1 до 10 квадратных метров. Для этого примера рассмотрим самолет как изотропную точечную мишень с RCS 10 квадратных метров.
trcs = pow2db(10); % Target RCS (dBsm)
Теперь, когда радиолокатор и цель определены, построить сценарий, который состоит из терминала аэропорта радар и больших коммерческих самолетов в присутствии горной захламленности. Отработать смоделированный сценарий на протяжении 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)});
Для каждой точки траектории цели определяют траекторию линии визирования от РЛС до цели. Для мест, где летательный аппарат не перекрыт рельефом местности, значение ОСШ вычисляется с использованием радиолокационного уравнения, включая коэффициент распространения по траектории.
Коэффициент распространения рассчитывается с использованием radarpropfactor функция. Модель диэлектрической проницаемости по умолчанию в radarpropfactor основан на модели диэлектрической проницаемости моря в «Machine Plotting of Radar Vertical-Plane Coverage Diarms» Блейка. Такая модель неприменима для определенного сценария. Таким образом, первый этап моделирования более реалистичного распространения заключается в выборе более подходящей диэлектрической проницаемости. Используйте earthSurfacePermittivity функция с флагом растительности. Предположим, температура окружающей среды составляет 21,1 градуса Цельсия, что составляет около 70 градусов по Фаренгейту. Предположим, что гравиметрическое содержание воды составляет 0,3.
temp = 21.1; % Ambient temperature (degrees Celsius) gwc = 0.3; % Gravimetric water content [~,~,epsc] = earthSurfacePermittivity('vegetation',fc,temp,gwc);
Рассчитайте коэффициент распространения с помощью radarpropfactor функция. Включите в расчет следующее:
Поверхностная диэлектрическая проницаемость
Стандартное отклонение высоты по траектории
Ширина луча отметки
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
Рассчитайте ОСШ вдоль траектории.
tsnr(isVisible) = radareqsnr(lambda,trange(isVisible).',rdrppower,rdrpulsew,... 'RCS',trcs,'Gain',rdrgain,'PropagationFactor',F(isVisible).');
Затем постройте график SNR 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, SNR принятого сигнала может изменяться, как показано на рисунке. РЛС имеет беспрепятственный обзор самолета при наличии линии визирования. Красная часть траектории указывает на отсутствие траектории линии визирования между самолетом и РЛС.
Для нашего радара наблюдения желаемым показателем эффективности является вероятность обнаружения (Pd) 0,9 и вероятность ложной тревоги (Pfa) ниже 1e-6. Чтобы сделать конструкцию радиолокационной системы более осуществимой, мы можем использовать метод интеграции импульсов для уменьшения требуемого SNR. Для этой системы мы предполагаем некогерентную интеграцию 32 импульсов. Хорошее приближение минимального SNR, необходимого для обнаружения при указанных Pd и Pfa, может быть вычислено посредством detectability функция как
pd = 0.9; pfa = 1e-6; minsnr_32p = detectability(pd,pfa,32); isdetectable_32p = tsnr >= minsnr_32p;
Теперь мы можем наблюдать, в какой части траектории цель обнаруживается (показана зеленым цветом), учитывая минимальное требование SNR. Следует отметить, что наличие линии прямой видимости не гарантирует обнаружения цели.
for m = 1:numel(tsnr) if isdetectable_32p(m) set(hsnr(m),'Color','g'); else set(hsnr(m),'Color','r'); end end
Чтобы улучшить обнаруживаемость с помощью радаров наблюдения, часто инженеры-радары обсуждают максимизацию продукта апертуры мощности системы. Это обычно означает увеличение физического размера или пиковой мощности системы. Его также можно рассматривать с точки зрения времени освещения (т.е. энергии на цели). Некоторые методы улучшения обнаруживаемости включают в себя:
Увеличение пиковой мощности: Это может быть трудно достичь из-за ограничений на источник питания и на местоположение радиолокационной платформы. Кроме того, если существует требование низкой вероятности перехвата (LPI), увеличение пиковой мощности часто нежелательно.
Увеличение физического размера апертуры антенны: увеличение физического размера антенны приводит к увеличению соответствующего усиления и уменьшению ширины луча половинной мощности. Ограничения платформы или местоположения могут сделать невозможным увеличение физического размера апертуры антенны. Кроме того, при меньшей ширине луча становится более важным, чтобы луч антенны направлялся к тестируемой цели.
Увеличение количества интегрируемых импульсов: это приведет к снижению обнаруживаемости. Однако, если самолет маневрирует с высокой скоростью, то может потребоваться слишком много времени, чтобы собрать все передаваемые импульсы при предположении о стационарности цели. Если предположение о стационарности цели является недопустимым, необходимо предпринять дополнительные шаги обработки сигнала, чтобы уменьшить дальность обхода цели.
Увеличение средней мощности: Вместо увеличения пиковой мощности можно увеличить среднюю мощность, увеличив рабочий цикл. Увеличение рабочего цикла означает увеличение либо длительности импульса, либо частоты повторения импульса (PRF), что может привести к чрезмерной нагрузке на аппаратные средства радара. Понижением к увеличению длительности импульса является увеличение минимального диапазона и потенциально перекрывающихся, неотделимых целевых возвращений. С другой стороны, увеличение частоты повторения импульсов уменьшает максимальный однозначный диапазон, что может быть нежелательно для системы дальнего наблюдения, особенно если она не выполняет методику определения.
Приведенный выше перечень, хотя и не является исчерпывающим, демонстрирует некоторые компромиссы в разработке системы наблюдения за аэропортами терминалов. Для этого примера мы увеличим пиковую мощность. Поскольку это наземная система, мы не ожидаем, что увеличение мощности будет слишком обременительным. Кроме того, другие радары аэропорта, такие как ASR-9, работают на пиковой мощности около 1 МВт. Поскольку это радар аэропорта, нет необходимости в требованиях к LPI.
Рассмотрим случай, когда 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;
Обратите внимание, что путем увеличения пиковой мощности области в конце траектории, которые ранее не были обнаружены, теперь удовлетворяют минимальному порогу SNR.
for m = 1:numel(tsnr) if isdetectable_32p(m) set(hsnr(m),'Color','g'); else set(hsnr(m),'Color','r'); end end
В этом примере SNR вычисляется и визуализируется для наземного радиолокатора наблюдения аэропорта на дальнем терминале, которому поручено обнаружить самолет в присутствии тяжелого горного нагромождения. В примере показано, как вычислить линию визирования с учетом траектории цели. Мы также узнали, что существование линии прямой видимости не обязательно гарантирует обнаружение цели. В этом примере рассматриваются некоторые конструктивные компромиссы для улучшения обнаруживаемости целей, обсуждаются способы изменения параметров радара в соответствии с другими требованиями системы. Пример может быть легко расширен для других самолетов, различных наборов траекторий и различных карт местности.
% Clean up by closing the geographic globe and removing the imported % terrain data. if isvalid(fig) close(fig) end removeCustomTerrain("southboulder")