Эффективность радиолокационной системы сильно зависит от окружения, в которой она работает. Хотя потеря расширения свободного пространства может быть такой, что отношение сигнал/шум (ОСШ) цели не удовлетворяет минимальному порогу обнаруживаемости для желаемой вероятности обнаружения и вероятности ложного предупреждения, обнаруживаемость цели может дополнительно страдать, когда рассматривается местность, поскольку может отсутствовать прямая, беспрепятственная линия зрения от радара к цели. Как вы увидите в этом примере, когда повышение цели увеличивается над местностью, радар имеет больше шансов обнаружить цель.
В этом примере вы научитесь анализировать эффективность наземного радара наблюдения за аэропортом терминала большой дальности, которому поручено обнаружить самолет в присутствии тяжелой, горной загроможденности. Пример сначала определяет 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 подробной визуализацией.
Для этого примера требуется Mapping Toolbox.
Для запуска укажите радар наблюдения аэропорта терминала большой дальности С-диапазона со следующими параметрами:
Пиковая степень: 1 кВт
Рабочая частота: 6 ГГц
Передайте и приёмная антенна: 2 степени по азимуту, 5 степени по повышению
Ширина 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)
Преобразуйте значения половинной ширины луча передатчика (HPBW) в коэффициент усиления, используя beamwidth2gain функция. Предположим, что косинусоидная прямоугольная апертура, которая является хорошим приближением для реальной антенны.
rdrgain = beamwidth2gain(hpbw,'CosineRectangular'); % Transmitter and receiver gain (dB)
Определите радиолокационное местоположение земли как аэропорт «Rocky Mountain Metropolitan» в Брумфилде, штат Колорадо, США. Радар установлен на башне в 10 метрах над землей. Высота радара является суммой повышения земли и высоты радиолокационной башни, привязанной 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 местоположение радара, импортируйте соответствующие данные о местности из 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, что пределы для файла соответствуют области вокруг Боулдера, Колорадо, США, и разрешение соответствует уровню DTED-1, который имеет разрешение выборки 3 угловых секунды или около 90 метров.
Рассмотрим большой коммерческий самолет как цель. Предположим, что траектория самолета является штопорным маневром, где самолет быстро снижается 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 путевые точки получаются с постоянной частотой 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 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)
Радиолокационное сечение (RCS) для самолета обычно составляет от 1 до 10 квадратных метров. В данном примере рассматривайте самолет как изотропную точку цели с RCS 10 квадратных метров.
trcs = pow2db(10); % Target RCS (dBsm)
Теперь, когда радар и цель были определены, создайте сценарий, который состоит из радара терминального аэропорта и больших коммерческих самолетов в присутствии горного загромождения. Запустите моделируемый сценарий для длительности 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 на целевой траектории определяется путь видимости от радара до цели. Для мест, где самолет не окклюдирован местностью, значение ОСШ вычисляется с помощью основного уравнения радиолокации, включая коэффициент распространения вдоль траектории.
Коэффициент распространения вычисляется с помощью radarpropfactor функция. Модель диэлектрической проницаемости по умолчанию в radarpropfactor основан на модели проницаемости моря в «Машинном графическом изображении радиолокационных диаграмм покрытия вертикальной плоскости» Блейка. Такая модель не применима к определенному сценарию. Таким образом, первым шагом в симуляции более реалистичного распространения является выбор более подходящей диэлектрической проницаемости. Используйте earthSurfacePermittivity функция с флагом растительности. Предположим, что температура окружающей среды составляет 21,1 степени Цельсия, что составляет около 70 степени по Фаренгейту. Примите гравиметрическое содержимое воды 0,3.
temp = 21.1; % Ambient temperature (degrees Celsius) gwc = 0.3; % Gravimetric water content [~,~,epsc] = earthSurfacePermittivity('vegetation',fc,temp,gwc);
Вычислите коэффициент распространения с помощью radarpropfactor функция. Включите в расчет следующее:
Поверхностная диэлектрическая проницаемость
Стандартное отклонение высоты вдоль пути
Ширина луча по повышению
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 график 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 принимаемого сигнала может изменяться, как показано на рисунке. Радар имеет беспрепятственный вид самолета, если есть путь видимости. Красный фрагмент траектории указывает, что между самолетом и радаром нет пути видимости.
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 выполнимым, мы можем использовать импульсный метод интегрирования, чтобы уменьшить необходимый ОСШ. Для этой системы мы предполагаем некогерентное интегрирование 32 импульсов. Хорошее приближение минимального ОСШ, необходимого для обнаружения в заданных Pd и PFA, может быть вычислено detectability функционировать 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 обнаруживается цель (показана зеленым цветом), учитывая минимальное требование ОСШ. Обратите внимание, что существование ссылки видимости не гарантирует, что цель обнаруживается.
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 наблюдательных радаров, часто радиолокационные инженеры обсуждают максимизацию продукта диафрагмы мощности системы. Это обычно приводит к увеличению физического размера или пиковой степени системы. Это также может быть рассмотрено с точки зрения времени освещения (то есть энергии на цели). Некоторые методы улучшения обнаруживаемости включают:
Увеличение пиковой степени: Это может быть трудно достичь из-за ограничений на источник степени и на местоположение радиолокационной платформы. Кроме того, если существует требование низкой вероятности точки пересечения (LPI), увеличение пиковой степени часто нежелательно.
Увеличение физического размера апертуры антенны: Увеличение физического размера антенны приводит к увеличению связанного усиления и снижению ширины луча полустепени. Ограничения платформы или местоположения могут сделать увеличение физического размера апертуры антенны недопустимым. Кроме того, с более мелкой шириной луча становится более важным, чтобы луч антенны направлялся к исследуемой цели.
Увеличение количества интегрированных импульсов: Это приведет обнаруживаемость к меньшему значению. Однако, если самолет маневрирует с высокой скоростью, то может потребоваться слишком много времени, чтобы собрать все переданные импульсы в предположении стационарности цели. Если целевое допущение стационарности является недействительным, необходимо предпринять дополнительные шаги обработки сигналов, чтобы уменьшить трассировку области значений цели.
Увеличение средней степени: Вместо увеличения пиковой степени можно увеличить среднюю степень путем увеличения коэффициента заполнения. Увеличение коэффициента заполнения означает увеличение либо ширины импульса, либо частоты повторения импульса (PRF), что может поставить чрезмерную нагрузку на оборудование радара. Обратная сторона увеличения ширины импульса является увеличением минимальной области значений и потенциально перекрывающегося, неразрывных целевых возвратов. С другой стороны, увеличение частоты повторения импульса уменьшает максимальную однозначную область значений, которая может быть нежелательной для системы наблюдения на большие расстояния, особенно если она не выполняет метод значений.
Приведенный выше список, хотя и никоим образом не является исчерпывающим, демонстрирует некоторые компромиссы в проекте системы наблюдения за аэропортами терминалов. Для этого примера мы увеличим пиковую степень. Поскольку это наземная система, мы не ожидаем, что увеличение степени будет слишком обременительным. Кроме того, другие радары аэропорта, такие как ASR-9, работают с пиковой степенью около 1 МВт. Поскольку это радар аэропорта, нет необходимости в LPI требованиях.
Рассмотрим случай, когда пиковая степень увеличивается 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 степени области в конце траектории, которые были ранее необнаружены, 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
В этом примере ОСШ вычисляется и визуализируется для наземного радара наблюдения за аэропортом терминала большой дальности, которому поручено обнаружить самолет в присутствии тяжелого горного загромождения. Пример показал, как вычислить линию зрения, заданную целевой траекторией. Мы также узнали, что существование ссылки видимости не обязательно гарантирует, что цель обнаруживается. Этот пример рассматривал некоторые компромиссы проекта, чтобы улучшить обнаруживаемость цели, обсуждая, как радиолокационные параметры могут быть изменены, чтобы соответствовать другим системным требованиям. 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")