В этом примере показано, как использовать приложение Radar Designer для выполнения анализа бюджета радиолокационной ссылки и разработки радиолокационной системы на основе набора требований к эффективности. Radar Designer позволяет пользователю проектировать новую радиолокационную систему начиная с одного из пяти предустановленных типов радаров, устанавливать требования к эффективности, вычислять радиолокационные метрики, конфигурировать окружение и сравнивать несколько альтернативных проектов. Можно также экспортировать проект как скрипт MATLAB ® для последующего анализа.
Уравнение радиолокационной области значений является мощным инструментом, который связывает между собой основные параметры радиолокационной системы. Это может дать инженеру a радара хорошее представление о эффективности системы, не прибегая к комплексным анализам и симуляциям. Это основное уравнение радиолокации особенно полезен на ранних стадиях проекта, когда конкретная информация о различных компонентах (например, переданная форма волны, размер или форма антенной решетки, алгоритмы обработки сигналов и т.д.) может быть еще недоступна. Несмотря на то, что основное уравнение радиолокации предоставляет только приблизительные результаты, точность анализа может быть значительно улучшена с учетом потерь, вносимых компонентами радиолокационной системы и средой распространения сигнала. Приложение Radar Designer является инструментом для выполнения анализа основного уравнения радиолокации, также известного как анализ бюджета радиолокационной ссылки. Он предоставляет пользователю много настраиваемых параметров для радиолокационной системы, цели и окружения, и предлагает набор визуализаций, чтобы помочь с выбором этих параметров. Приложение Radar Designer также позволяет проектировать радиолокационную систему, основанную на наборе требований к эффективности.
В этом примере показано, как использовать приложение Radar Designer для разработки радара наблюдения X-диапазона для обнаружения малых целей. Проект основан на следующих технических требованиях:
Пиковая степень передачи не должна превышать 2000 Вт
Радар должен обеспечить 360-градусное покрытие по азимуту и 60 степени покрытие по повышению
Радар должен обнаружить малый пилотируемый самолет с сечением радара 1 м в областях значений от 300 м до 18 км
Радар должен обнаружить малый беспилотный самолет (БАС) с сечением радара 0,03 м в областях значений от 300 м до 8 км
Вероятность обнаружения и ложного предупреждения должна быть 0,9 и 1e-6 соответственно
Радар должен разрешить две цели с одинаковыми азимутом и повышениями, разделенными в области значений 30 м
Радар должен иметь область значений, азимут и точность по повышению 2 м, 0,2 o и 0,5 o соответственно
Радар должен обнаруживать цели со скоростями до 180 км/ч
Радар должен сохранять точность и эффективность обнаружения в условиях сильного дождя (16 мм/ч)
Приложение Radar Designer можно запустить с помощью команды:
radarDesigner
По умолчанию приложение позволяет пользователю либо начать новый, либо открыть существующий сеанс с помощью соответствующих кнопок на панели инструментов. Новый сеанс предлагает один из пяти предопределенных типов радаров: воздушный, аэропортовый, автомобильный, слежение и погодные условия. В этом примере мы используем радар аэропорта по умолчанию в качестве начальной точки.
После загрузки нового сеанса приложение Radar Designer представляет пользователю следующие группы документов:
Панели радара, цели и окружения слева
ОСШ по сравнению с графиками геометрии области значений и сценария в центре и справа
Таблица метрики и требования внизу
В качестве первого шага после открытия нового сеанса мы изменим имя текущего проекта в верхней части панели Radar на NewDesign.
В этом примере у нас есть спецификация, подробно описывающая эффективность конечной системы. Однако он не задает все расчётные параметры, необходимые для достижения требуемых уровней эффективности. Большая часть расчётных параметров должна быть получена из требований, приведенных в спецификации. Приложение Radar Designer предоставляет способ вывести расчётные параметры радара из требований к эффективности.
Показатели эффективности и соответствующие требования размещены в Metrics and Requirements таблица. Для каждой метрики эффективности приложение имеет два значения требований:
Threshold - описывает минимальный уровень эффективности для метрики;
Objective - определяет значение метрики, которая позволит новой системе полностью удовлетворять потребности миссии.
Значения между Threshold и Objective представляют собой торговое пространство, которое может использоваться инженером радиолокации для балансировки нескольких, иногда конфликтующих, требований к эффективности.
Вычисленные метрики, которые показаны в таблице Метрики и требования, могут быть ограничены либо максимальной областью значений, либо вероятностью обнаружения. Выбор переменной для использования в качестве ограничения осуществляется с помощью кнопки Metric в разделе Metric панели инструментов. Выбор максимальной области значений в качестве ограничения означает, что метрики эффективности, отображаемые в таблице Метрики и требования, вычисляются в указанной максимальной области значений. Выбор вероятности обнаружения как ограничения означает, что отображаемые метрики вычисляются с учетом заданного значения вероятности обнаружения. В этом примере нас интересуют две области значений: 1) 18 км для пилотируемых самолетов и 2) 8 км для БАС. Начинаем с пилотируемого самолета и устанавливаем Metric на панели инструментов до ограничения максимальной области значений 18 км.
В качестве следующего шага мы заполняем Threshold и Objective значения таблицы Metric and Requirements с номерами, приведенными в спецификации. В этом примере спецификация предоставляет только одно значение для каждой метрики эффективности. Мы используем это значение, чтобы задать Objective требование. Затем устанавливаем соответствующий Threshold по разумному значению, близкому к Objective. Хотя желаемая эффективность системы определяется Objective требование, система считается имеющей приемлемую эффективность, если Threshold требование выполнено. Эта гибкость необходима для создания торгового пространства для выбора расчётных параметров, которые в противном случае было бы трудно или невозможно выбрать. Поскольку спецификация не обеспечивает требования ко всем метрикам, показанным в таблице, мы оставляем требования к этим метрикам установленными на значения по умолчанию.
Целевые параметры заданы на панели «Цель». Поскольку мы сначала рассматриваем малый пилотируемый самолет, мы задаем радиолокационное сечение цели равное 1 м. Модель Swerling изменяется на Swerling 1 для моделирования более реалистичных колеблющихся целей.
После того, как требования и параметры цели были установлены, мы можем начать регулировать расчётные параметры радара таким образом, чтобы вычисленные метрики удовлетворяли заявленным требованиям. Приложение Radar Designer предоставляет удобный способ контролировать состояние вычисленных метрик с одновременным изменением значения расчётных параметров. Записи таблицы Метрики и требования (Metrics and Requirements) закодированы по цвету для указания статуса вычисляемых метрик. Метрики, которые удовлетворяют соответствующим Objective требование окрашено в зеленый цвет, метрики со значениями между Threshold и Objective окрашены в желтый цвет, и метрики, которые не соответствуют Threshold требование окрашены в красный цвет. Те же цвета также используются в графике ОСШ по сравнению с областью значений и Pd по сравнению с областью значений, чтобы показать области значений, в которых удовлетворяются требования к обнаружению.
Чтобы гарантировать, что 1 м Цель RCS обнаруживается в желаемой области значений 18 км, мы настраиваем расчётные параметры радара, чтобы убедиться, что кривая ОСШ на графике ОСШ/Диапазон выше Objective Detectability линия в Max Range.
Радиолокационные расчётные параметры разделены на четыре секции. Каждая секция регулируется следующим образом:
Main. Рабочая частота радара и пиковая степень устанавливаются на значения, указанные в спецификации. Шумовая ширина полосы пропускания импульса регулируется так, чтобы соответствовать требованиям к разрешению области значений, и ширина импульса устанавливается для достижения достаточно высокого доступного ОСШ в максимальной области значений. Значение PRF 7 кГц выбирается, чтобы найти компромисс между 21,4 км однозначной области значений и максимальной однозначной скоростью 198 км/ч (первая слепая скорость 396 км/ч). График Области значений/Допплеровского покрытия, доступный через кнопку Область значений/Допплеровского покрытия в разделе «Анализ» панели инструментов, используется, чтобы визуализировать торговое пространство между скоростью и областью значений цели.
Antenna and Scanning. Высота антенны, наклон и поляризация остаются без изменений. Азимут и ширина луча антенны установлены на 2 и 6 степени соответственно, чтобы соответствовать требованиям точности по азимуту и повышению. Режим скана установлен в Mechanical для облегчения 360-градусного покрытия по азимуту, и размерность по повышению сектора скана устанавливается равным 60 степеням, как указано в этой спецификации. В разделе Antenna and Scanning также показано, что размер тома поиска составляет 5,441 стерадиан, а время сканирования этого тома составляет 6,38 секунд. Включение сканирования в анализ добавляет потерю формы луча и коэффициент прочности луча в бюджет ссылки.
Detection and Tracking. Вероятность ложного предупреждения устанавливается на необходимое значение 1e-6. Количество когерентно интегрированных импульсов выбирается таким образом, чтобы Objective Detectability значение, которое определяет ОСШ, требуемый для обнаружения цели случая Swerling 1 с желаемыми вероятностями обнаружения и ложного предупреждения 0,9 и 1e-6 соответственно, ниже доступного ОСШ при заданном ограничении максимальной области значений 18 км.
Loss Factors. Для учета потерь из-за затмения импульса мы добавляем статистические потери затмения к анализу бюджета ссылок.
После этих корректировок таблица Metric and Requirements показывает, что этот проект удовлетворяет спецификации для малых пилотируемых самолетов с RCS 1 м или больший. Из графика ОСШ по сравнению с областью значений мы видим, что коэффициент обнаруживаемости, необходимый для достижения Objective вероятность обнаружения 0,9 составляет приблизительно 10 дБ, в то время как коэффициент обнаруживаемости для Threshold требование 0,75 близко к 5 дБ. Поскольку доступная кривая ОСШ выше Objective Detectability линия на 18 км, полученная вероятность обнаружения выше необходимой Objective значение и равно 0,92. Таблица Metrics and Requirements также отображает, что минимальный обнаруживаемый сигнал, требуемый для обнаружения 1 м цель с этой вероятностью обнаружения -92 дБм.
До сих пор этот пример предполагал распространение свободного пространства без какого-либо атмосферного ослабления. Чтобы сделать анализ более точным, потери из-за распространения и атмосферного ослабления могут быть включены и параметризованы через Environment панель.
В спецификации указывается, что находящийся под проект радар должен поддерживать необходимую эффективность обнаружения и точность измерения при сильном дожде (16 мм/ч). Чтобы включить потери пути из-за осадков в анализ, задаем Precipitation Type на Rain в Precipitation раздел Environment панель. Затем мы выбираем модель ITU и устанавливаем области значений осадков таким образом, чтобы 16 мм/ч дождя присутствовали во всех областях значений интереса. Теперь Metrics and Requirements таблица и график ОСШ по сравнению с диапазоном показывают, что вероятность обнаружения в максимальной области значений намного ниже необходимого значения 0,9.
The 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 области потерь из-за распространения и атмосферного ослабления. The Precipitation Loss подграфик показывает, что 16 мм/ч дождя создают дополнительную потерю 4,8 дБ на 18 км. Это приводит к снижению вероятности обнаружения с 0,92 до 0,55, что ниже Threshold требование. Таким образом, эффективность системы становится неприемлемой в условиях сильного дождя и не соответствует спецификации.
Вероятность обнаружения может быть улучшена путем либо увеличения ОСШ, доступного в приемнике, либо путем уменьшения ОСШ, необходимого для проведения обнаружения (коэффициент обнаруживаемости). Последний подход может быть более привлекательным на практике, так как уменьшение коэффициента обнаруживаемости может быть осуществлено посредством применения методов обработки сигналов, которые не требуют внесения изменений в оборудование. Коэффициент обнаруживаемости может быть уменьшен путем интегрирования большего количества импульсов. Однако целевое колебание RCS обычно накладывает предел на количество импульсов, которые могут быть когерентно интегрированы. Возможным решением для интеграции большего количества импульсов при решении проблемы флуктуации RCS является интегрирование M-of-N на нескольких когерентных интервалах обработки (CPI). В каждом CPI импульсы интегрируются когерентно, и затем интегрирование M-of-N применяется через CPI. Переход к Radar панель и установка количества ИПЦ в Detection and Tracking раздел до 3 и количество ИПЦ с обнаружением до 2 увеличивают полученную вероятность обнаружения с 0,55 до 0,81.
Хотя вероятность обнаружения все еще ниже заданной Objective значение, оно соответствует Threshold требование. Это означает, что система имеет приемлемую эффективность обнаружения при сильном дожде. Точно так же область значений, азимут и точности по повышению очищают Threshold требование, но ниже их соответствующих Objective значения.
Откройте этот проект в Radar Designer.
radarDesigner('SurveillanceRadarSmallTargets.mat')
Чтобы проверить, будет ли эта конструкция радара иметьвлетворительную эффективность, когда цель является маленькой UAS, мы меняем цель RCS на 0,03 m и установите метрическое ограничение максимальной области значений 8 км. График ОСШ по сравнению с областью значений показывает, что доступный ОСШ для этого проекта выше Objective Detectability линия на 8 км, и получившаяся вероятность обнаружения в этой области значений 0,94, что намного выше необходимого значения. Система способна удовлетворить Целевое требование вероятности обнаружения на 8 км, потому что влияние атмосферного ослабления меньше на более близких областях значений.
Получившаяся область значений и точности по повышению, однако, все еще ниже Objective и над Threshold требования
.
Radar Designer позволяет экспортировать созданный проект как скрипт MATLAB, нажав кнопку Export в разделе Export панели инструментов и выбрав Export SNR vs Range MATLAB Script. Экспортированный скрипт содержит выбранные параметры радара, цели и окружения и воспроизводит график SNR vs Range. Его можно использовать для дальнейшего эксперимента, улучшения и изменения проекта. В сложение результаты, показанные в таблице Метрики и требования, также могут быть экспортированы как отдельный скрипт MATLAB, нажав Экспортировать и затем выбрав Сгенерировать отчет о метриках. При выполнении этот скрипт выводит форматированный отчет для вычисленных метрик.
В этом примере показано, как использовать приложение Radar Designer для выполнения анализа бюджета ссылок радиолокационной системы наблюдения для обнаружения малых целей. Пример начинается со спецификации и набора требований к эффективности. Он показывает, как задать Objective и Threshold требования на основе значений, представленных в спецификации. Затем он демонстрирует, как настроить расчётные параметры радара с помощью ОСШ vs Range и расцветки стоп-света таким образом, чтобы проект соответствовал заявленным требованиям. Пример также показывает, как изменить целевые параметры на модели пилотируемых и беспилотных самолетов, и как сконфигурировать настройки окружения, чтобы включить атмосферные потери из-за осадков в анализ.