Разрешение неоднозначности диапазона

Разрешение неоднозначности дальности - это метод, используемый с радаром со средней частотой повторения импульсов (PRF) для получения информации о дальности для расстояний, которые превышают расстояние между передаваемыми импульсами.

Этот метод обработки сигналов необходим для импульсно-доплеровского радара . ^[1]^[2]^[3]

Необработанный отраженный сигнал будет казаться приходящим с расстояния меньше истинного диапазона отражения, когда длина волны частоты повторения импульсов (PRF) меньше диапазона отражения. Это приводит к сворачиванию отраженных сигналов , так что видимая дальность является функцией по модулю истинной дальности.

Определение

Совмещение дальности происходит, когда отражения приходят с расстояний, которые превышают расстояние между передаваемыми импульсами с определенной частотой повторения импульсов (PRF).

Разрешение неоднозначности диапазона необходимо для получения истинного диапазона, когда измерения выполняются с использованием системы, в которой верно следующее неравенство.

{\text{Distance}}>\left({\frac {c}{2\times \mathrm {PRF} }}\right)

Здесь c — скорость сигнала, которая для радара равна скорости света . Измерения дальности, выполненные таким образом, дают функцию по модулю истинной дальности.

{\text{Apparent Range}}=({\text{True Range}})\mod \left({\frac {c}{2\times \mathrm {PRF} }}\right)

Теория

Чтобы определить истинную дальность, радар должен измерить видимую дальность, используя две или более различных ЧПИ.

Предположим, выбрана комбинация из двух PRF, в которой расстояние между передаваемыми импульсами (интервал между импульсами) отличается в зависимости от ширины импульса передатчика.

Two\ PRF\ Combination{\begin{cases}Pulse\ Spacing\ (Ambiguous\ Range)={\frac {1}{\mathrm {PRF} }}\\\\{\frac {1}{\mathrm {PRF} _{A}}}-{\frac {1}{\mathrm {PRF} _{B}}}=\pm \ Transmit\ Pulse\ Width\end{cases}}

Каждый импульс передачи разделен на расстояние неоднозначного интервала диапазона. Между импульсами передачи берется несколько выборок.

Если принимаемый сигнал попадает в один и тот же номер выборки для обоих PRF, то объект находится в первом интервале неоднозначного диапазона. Если принимаемый сигнал попадает в номера выборок, отличающиеся на единицу, то объект находится во втором интервале неоднозначного диапазона. Если принимаемый сигнал попадает в номера выборок, отличающиеся на два, то объект находится в третьем интервале неоднозначного диапазона.

Общие ограничения на производительность диапазона заключаются в следующем.

Каждая выборка обрабатывается для определения наличия отраженного сигнала (обнаружение). Это называется обнаружением сигнала.

Обнаружение, выполненное с использованием обоих PRF, можно сравнить, чтобы определить истинный диапазон. Это сравнение зависит от рабочего цикла передатчика (соотношения между включением и выключением).

Скважность ширине - это отношение ширины передаваемого импульса к $\mathrm {T}$ и период между импульсами $1/\mathrm {PRF}$ . ^[4]

{\begin{aligned}Transmitter\\Characteristics\end{aligned}}{\begin{cases}Duty\ Cycle=\mathrm {PRF} \times Transmit\ Pulse\ Width\\\\Pulse\ Spacing=\left({\frac {c}{\mathrm {PRF} }}\right)\end{cases}}

Импульсно-допплеровский метод позволяет надежно определить истинную дальность на всех расстояниях, меньших инструментальной дальности . Оптимальная пара PRF, используемая для схемы импульсно-доплеровского обнаружения, должна отличаться как минимум на $\mathrm {PRF} *{\text{Duty Cycle}}$ . Это делает диапазон каждого PRF различным по ширине периода выборки.

Разница между номерами выборок, в которых обнаруживается сигнал отражения для этих двух ЧПИ, будет примерно такой же, как количество интервалов неоднозначной дальности между радаром и отражателем (т. е. если отражение попадает в выборку 3 для ЧПИ 1 и в выборку 5 для PRF 2, то отражатель находится в неоднозначном диапазоне 2=5-3).

{\begin{aligned}Instrumented\\Range\end{aligned}}{\begin{cases}Minimum\ Sample\ Width=\left({\frac {Duty\ Cycle}{\mathrm {PRF} }}\right)\\\\Maximum\ Distance=\left({\frac {Pulse\ Spacing}{Sample\ Width}}\right)=\left({\frac {c}{Sample\ Width\times 2\times \mathrm {PRF} ^{2}}}\right)\\\\Samples\ Per\ Transmit\ Pulse=\left({\frac {1}{Minimum\ Sample\ Width}}-1\right)\end{cases}}

Нет никакой гарантии, что истинная дальность будет найдена для объектов за пределами этого расстояния.

Операция

Нижеследующее является частным случаем китайской теоремы об остатках .

Каждая выборка неоднозначного диапазона содержит сигнал приема из нескольких разных мест диапазона. Обработка неоднозначности определяет истинный диапазон.

Лучше всего это объясняется на следующем примере, где PRF A создает импульс передачи каждые 6 км, а PRF B создает импульс передачи каждые 5 км.

Передача	Образец 1 км	Образец 2 км	Образец 3 км	Образец 4 км	Образец 5 км
		Целевой PRF A
				Целевой PRF B

Видимая дальность PRF A попадает в выборку длиной 2 км, а видимая дальность PRF B попадает в выборку длиной 4 км. Эта комбинация устанавливает истинную целевую дистанцию в 14 км (2x6+2 или 2x5+4). Это можно увидеть графически, если интервалы диапазонов расположены друг за другом, как показано ниже.

0	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	29	29
		А						А						А						А						А
				Б					Б					Б					Б					Б					Б

«A» представляет возможности целевого диапазона для PRF A, а «B» представляет возможности целевого диапазона для PRF B.

Этот процесс использует справочную таблицу, когда имеется только одно обнаружение. Размер таблицы ограничивает максимальный диапазон.

Показанный выше процесс представляет собой разновидность алгоритма цифровой свертки .

Ограничения

Этот метод имеет два ограничения.

Слепые зоны
Несколько целей

Описанный выше процесс в реальных системах немного сложнее, поскольку в луче радара может присутствовать более одного сигнала обнаружения. Чтобы справиться с этими сложностями, частота пульса должна быстро меняться как минимум с 4 различными PRF.

Слепые зоны

Каждый отдельный PRF имеет слепые диапазоны, в которых импульс передатчика возникает одновременно с возвращением сигнала отражения цели на радар. Каждый отдельный PRF имеет слепые скорости, при которых скорость самолета будет казаться стационарной. Это вызывает волнистость , при которой радар может быть слепым для некоторых комбинаций скорости и расстояния.

Подробное объяснение радиолокационного зубца

Для процесса обнаружения обычно используется схема с четырьмя PRF и двумя парами PRF, чтобы исключить слепые зоны.

Антенна должна оставаться в одном и том же положении как минимум в течение трех разных PRF. Это накладывает минимальный лимит времени на сканирование тома.

Несколько целей

Несколько самолетов в луче радара, разделенных более чем 500 метрами, создают дополнительные степени свободы , требующие дополнительной информации и дополнительной обработки. Это математически эквивалентно множеству неизвестных величин, которые требуют нескольких уравнений. Алгоритмы, обрабатывающие несколько целей, часто используют тот или иной тип кластеризации. ^[5]^[6] чтобы определить, сколько целей присутствует.

Доплеровский сдвиг частоты, вызванный изменением частоты передачи, уменьшает неизвестные степени свободы.

Сортировка обнаружений в порядке амплитуды уменьшает неизвестные степени свободы.

Разрешение неоднозначности основано на совместной обработке обнаружений одинакового размера или скорости в группе.

Реализации

Матлаб : disambigCRT1D и disambiguateClust1D функции, являющиеся частью Военно-морской исследовательской лаборатории США. бесплатной библиотеки компонентов трекеров ^[7] может использоваться для устранения неоднозначности дальности при наличии нескольких целей и ложных тревог.

Ссылки

^ «Обработка сигналов Multi-PRI для терминального доплеровского метеорологического радара. Часть II: Уменьшение неоднозначности дальности и скорости» (PDF) . Массачусетский технологический институт.
^ «Уменьшение неоднозначности скорости радиолокационного диапазона» . Кооперативный институт мезомасштабных метеорологических исследований, Университет Оклахомы. Архивировано из оригинала 28 сентября 2011 г.
^ «Руководство по интерпретации доплеровских диаграмм скорости» . Национальное управление океанических и атмосферных исследований.
^ «Таймер 555». Архивировано 3 сентября 2011 г. на Wayback Machine , Doctronics , по состоянию на 23 марта 2011 г.
^ Стинко, П.; Греко, М.; Джини, Ф.; Фарина, А.; Тиммонери, Л. (12–16 октября 2009 г.). Анализ и сравнение двух алгоритмов неоднозначности: модифицированный CA и CRT . Материалы Международной радиолокационной конференции. Бордо, Франция.
^ Ствол, Г.; Брокетт, С. (20–22 апреля 1993 г.). Разрешение неоднозначности по дальности и скорости . Национальная радиолокационная конференция IEEE. Линнфилд, Массачусетс.
^ «Библиотека компонентов трекера» . Репозиторий Матлаба . Проверено 12 января 2019 г.

[1] «Обработка сигналов Multi-PRI для терминального доплеровского метеорологического радара. Часть II: Уменьшение неоднозначности дальности и скорости» (PDF) . Массачусетский технологический институт.

[2] «Уменьшение неоднозначности скорости радиолокационного диапазона» . Кооперативный институт мезомасштабных метеорологических исследований, Университет Оклахомы. Архивировано из оригинала 28 сентября 2011 г.

[3] «Руководство по интерпретации доплеровских диаграмм скорости» . Национальное управление океанических и атмосферных исследований.

[4] «Таймер 555». Архивировано 3 сентября 2011 г. на Wayback Machine , Doctronics , по состоянию на 23 марта 2011 г.

[5] Стинко, П.; Греко, М.; Джини, Ф.; Фарина, А.; Тиммонери, Л. (12–16 октября 2009 г.). Анализ и сравнение двух алгоритмов неоднозначности: модифицированный CA и CRT . Материалы Международной радиолокационной конференции. Бордо, Франция.

[6] Ствол, Г.; Брокетт, С. (20–22 апреля 1993 г.). Разрешение неоднозначности по дальности и скорости . Национальная радиолокационная конференция IEEE. Линнфилд, Массачусетс.

[7] «Библиотека компонентов трекера» . Репозиторий Матлаба . Проверено 12 января 2019 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]