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FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR Il rapporto segnale
FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLIO NON FLUTTUANTE - INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI (cont.) Il rapporto segnale-rumore minimo (SNRmin) necessario per effettuare la rivelazione di un oggetto con una assegnata probabilità di corretta rivelazione PD , e una assegnata probabilità di falso allarme Pfa inserito nella equazione del radar per calcolare Rmax è riferito al singolo impulso ricevuto. In realtà, un bersaglio viene osservato dal radar per un tempo pari al dwell time td, e quindi si hanno a disposizione N impulsi relativi allo stesso bersaglio. CAP.3 – LUC.1/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLIO NON FLUTTUANTE - INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI (cont.) Di solito questi N impulsi vengono elaborati opportunamente (processo di integrazione degli impulsi). L'operazione di integrazione degli impulsi è vantaggiosa dal punto di vista del processo di decisione. Tale vantaggio viene quantificato definendo un guadagno di integrazione Gint che va a moltiplicare, nella equazione del radar, la potenza ricevuta per singolo impulso. L'equazione radar 4 Rmax PT G 2 λ 2σ Gint = 3 (4π ) Smin CAP.3 – LUC.2/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLIO NON FLUTTUANTE - INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI (cont.) A parità di Rmax, il rapporto SNRmin è diminuito di un fattore pari a Gint rispetto al caso di assenza di integrazione. Si ha quindi la possibilità di una riduzione sulle specifiche relative ad esempio alla potenza PT in emissione, al guadagno di antenna, etc.. Se in ricezione si hanno a disposizione N impulsi retrodiffusi dal bersaglio occorre tenere conto: a) delle perdite per elaborazione, quantificabili con un fattore di perdita LE , b) di un guadagno di elaborazione Gint, derivante da un processo di integrazione degli impulsi. CAP.3 – LUC.3/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLIO NON FLUTTUANTE - INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI (cont.) Si definisce un rapporto segnale - rumore minimo equivalente SNRmeq SNRmeq : LE = SNRmin Gint in cui SNRmin è il minimo rapporto segnale rumore necessario per PD e Pfa assegnate utilizzando un solo la rivelazione con impulso. Rx SNR1 Integratore SNR2 = Gint SNR1 LE CAP.3 – LUC.4/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLIO NON FLUTTUANTE - INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI (cont.) La portata radar Rmax viene calcolata usando l'equazione radar in cui al posto di SNR viene considerato SNRmeq . In queste ipotesi min SNRmeq può essere definito come il rapporto SNRmin associato ad un singolo impulso equivalente che garantisce una certa PD ed una certa Pfa . Esso tiene conto del fatto che si hanno N impulsi associati al bersaglio in esame. Affinché il processo di integrazione sia utile si deve avere SNRmeq < SNRmin → Gint > LE ( es : Gint = 13dB, LE = 1, 5dB ) CAP.3 – LUC.5/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLIO NON FLUTTUANTE - INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Si noti che di solito l'operazione di integrazione degli impulsi avviene in banda base ossia sulle componenti I e Q nel caso di elaborazione coerente, ovvero sul modulo in caso di ricezione non coerente, e che il sottosistema che opera l'integrazione è di tipo numerico. Noto SNRmin è possibile risalire alla PD ed alla Pfa utilizzando i metodi della teoria della decisione che verranno illustrati in seguito. CAP.3 – LUC.6/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) Il calcolo del rapporto segnale/rumore su singolo impulso deve essere inquadrato in due modi: a) Risultato di un bilancio di potenza b) Risultato di un calcolo analitico funzione di PD e Pfa assegnate. Dai due risultati si ottiene il valore di SNRmin che soddisfa le prestazioni richieste. CAP.3 – LUC.7/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) Viene ora illustrata la procedura di calcolo del rapporto SNRmin nella ipotesi in cui si abbia soltanto un singolo impulso per la rivelazione. Dopo aver effettuato tale calcolo occorre ricordare che se si hanno a disposizione N impulsi, il valore di SNRmin calcolato va diminuito di una quantità pari al guadagno di integrazione Gint e va aumentato di una quantità pari alle perdite per elaborazione LE. Il calcolo del rapporto SNRmin viene effettuato supponendo di avere un bersaglio non fluttuante, ossia fisso. Un bersaglio è fisso se la sua RCS non varia nel tempo. CAP.3 – LUC.8/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) Si supponga, che il ricevitore radar sia in grado di estrarre dal segnale ricevuto l'inviluppo della portante. Di solito un simile ricevitore è costituito dalla cascata di un elemento non lineare (es. un rivelatore lineare o quadratico) con un filtro passa basso. x(t) 2 ( ) 2 x (t) v(t) Rivelatore quadratico di inviluppo CAP.3 – LUC.9/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) Per decidere se il bersaglio è presente si confronta l'ampiezza del segnale di inviluppo con una soglia VT opportunamente calcolata in base ai valori di PD e Pfa fissati. Esistono anche procedimenti di rivelazione basati su segnali provenienti da un processo di demodulazione coerente. Il tipico schema di un ricevitore coerente in grado di estrarre le componenti in fase e in quadratura del segnale ricevuto. CAP.3 – LUC.10/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) I(t) = A t cos ϕ t A t cos ω0 t + ϕ t cos ω0 t sin ω0t Q(t) = A t sin ϕ t Rivelatore coerente (ω0 = pulsazione della portante) CAP.3 – LUC.11/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) Se I e Q sono due segnali rappresentativi di un processo (rumore) gaussiano bianco (bersaglio assente), la densità di probabilità al primo ordine dell'inviluppo v(t) è di tipo Rayleigh pv (v) = v σ 2 e − v2 2σ 2 U (v ) dove U(•) è il gradino unitario. Il segnale di inviluppo v(t) nel caso di bersaglio assente è dato dalla relazione v (t ) = nx2 + n 2y con nx ed ny: componenti in fase e quadratura CAP.3 – LUC.12/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) La probabilità di falso allarme è pari a Pfa = Prob v > VT bersaglio assente = ∫∫ f nx , ny ( x, y ) dxdy x 2 + y 2 >VT in cui VT è la tensione di soglia. CAP.3 – LUC.13/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) Nel caso di rumore gaussiano la densità di probabilità della componente di rumore in fase (nx) è pn x ( x ) = 1 σ 2π e − x2 2σ 2 ed analogamente per la componente in quadratura ny Se il processo di rumore è bianco, le componenti nx(t) e ny(t) sono statisticamente indipendenti e quindi si ha 2 2 + n n 1 x y − Pfa = exp 2 σ 2πσ 2 ∫∫ 2 dnx dn y CAP.3 – LUC.14/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) Indicando con l'inviluppo e con r = nx2 + n y2 θ = arctg ny nx la fase, ed operando la trasformazione nx, ny → r, θ si ha: Pfa = 2π ∞ 1 2πσ 2 ∫ ∫e −r 2 2σ 2 rdrdθ 0 VT CAP.3 – LUC.15/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) Pertanto: Pfa = e − VT2 2σ 2 = 1 − F (VT ) dove F(v) è la funzione di distribuzione dell’ampiezza (inviluppo) del rumore. p(v) PFA VT v Quindi la probabilità di falso allarme è rappresentata dall'area tratteggiata. CAP.3 – LUC.16/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) Si osserva che se VT rimane costante e la deviazione standard σ del processo di rumore aumenta, la probabilità di falso allarme cresce molto rapidamente. -6 Ad es. se si richiede Pfa=10 VT σ si ha = −2 ln ( Pfa ) = 5.256 CAP.3 – LUC.17/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) Se la σ del rumore cresce del 20% si ha Pfa = e − 5.256 2 ( 2⋅1.44 ) ≈ 6.8 ⋅ 10 −5 e quindi la Pfa è aumentata di 68 volte rispetto al valore precedente a fronte di un aumento di 1.58 dB della potenza di rumore. Di conseguenza occorre che il controllo del rapporto VT/σ sia molto accurato. CAP.3 – LUC.18/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) Si supponga ora che il bersaglio sia presente, sia fisso e di operare la decisione sull'inviluppo del singolo impulso ricevuto. Quando il bersaglio è presente, il segnale di inviluppo non è generato soltanto dalle componenti del segnale di disturbo ma anche dalle componenti del segnale utile. I (t ) = sI (t ) + nI (t ) Q (t ) = sQ (t ) + nQ (t ) Se il bersaglio è fisso le componenti del segnale utile non sono aleatorie. CAP.3 – LUC.19/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) Si supponga che il vettore S sia caratterizzato da una ampiezza di picco A. nQ = n y V S = (s I + jsQ ) nx = nI Componenti del segnale ricevuto Se il bersaglio fosse in movimento il vettore S ruoterebbe con una velocità angolare proporzionale alla frequenza Doppler fd. CAP.3 – LUC.20/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) Un parametro che caratterizza la situazione è il rapporto Aeff σ , in cui Aeff è la tensione RMS del segnale che per definizione è pari a A 2 . Di solito al posto del parametro Aeff si utilizza il rapporto segnale rumore dato da A2 SNR = 2σ 2 La presenza del fattore 2 giustifica il fatto che A è una ampiezza di picco. CAP.3 – LUC.21/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) ny y=Q S nx x=I s x = sI = A cos θ s y = sQ = A sin θ e di conseguenza le componenti del vettore V associato al segnale ricevuto (somma vettoriale del segnale utile e del rumore) hanno l'espressione vx = I = A cos θ + nI = A cos θ + nx v y = Q = A sin θ + nQ = A sin θ + n y CAP.3 – LUC.22/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) Siccome il valore di A è deterministico (poiché il bersaglio è fisso), dal punto di vista statistico le componenti del vettore V sono variabili aleatorie gaussiane ma a valor medio non nullo a causa della presenza di A. In queste ipotesi la densità di probabilità congiunta di v x e vy è gaussiana a valor medio non nullo. Di conseguenza PD = Prob v > VT bersaglio presente = ∫∫ v >VT f vx ,vy ( x, y ) dxdy in cui v è l’inviluppo del segnale, e le componenti vx e vy non sono più indipendenti (il calcolo si complica). CAP.3 – LUC.23/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) Occorre ricordare l’espressione della funzione di Bessel modificate di ordine zero I0(α): 1 I0 (α ) = 2π 2π α cosθ e dθ ∫ 0 la quale, si ricorda, ammette lo sviluppo in serie: α I 0 (α ) = 1 + ∑ k 2 k ! ⋅ k =1 ∞ k 2 CAP.3 – LUC.24/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) Siccome la densità congiunta delle componenti di V è ( v − A cos θ )2 + ( v − A sin θ )2 1 x y = − p ( vx , v y ) = exp 2πσ 2 2σ 2 vx2 + v 2y + A2 − 2vx A cosθ − 2v y A sin θ = exp − 2 2 2πσ 2σ 1 CAP.3 – LUC.25/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) operando la trasformazione vx , v y → r , ϕ si ha la densità congiunta dell’inviluppo r e dell’argomento: r 2 + A2 − 2 A(r cos ϕ cos θ + r sin ϕ sin θ ) p ( r,ϕ ) = exp − = 2 2πσ 2 2 σ r r 2 + A2 − 2 Ar cos (ϕ − θ ) exp − = 2 2 2πσ 2σ r da cui r 2 + A2 2π Ar − − p (r ) = dϕ exp exp cos ϕ θ ( ) ∫ 2 2 2 2πσ 2σ 0 σ r CAP.3 – LUC.26/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) Ricordando la definizione di I0(x) si ha: r 2 + A2 p (r ) = 2 exp − 2 2 σ σ r Ar I0 2 U (r ) σ è chiamata densità di probabilità di tipo RICE o Riceana. Per definizione ∞ PD = ∫ p(r )dr = Q(V T ) VT Per A2 >> σ2 la densità di Rice è circa gaussiana con valore atteso A e varianza σ2; l’approssimazione è già buona per A > 5σ. CAP.3 – LUC.27/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) ∞ PD = ∫ p(r )dr = Q(V T ) VT non è esprimibile in forma chiusa ed è denominata funzione di Marcum. Essa fornisce la probabilità di corretta rivelazione. Può far comodo esprimere la PD in funzione della Pfa. Sfruttando la Pfa = e − VT2 2σ 2 = 1 − F (VT ) si può scrivere che VT σ 2 = − ln ( Pfa ) CAP.3 – LUC.28/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) Se si pone x= r 2σ A2 SNR = 2σ 2 ⇒ PD = 2e− SNR ∞ ∫ ( ) ( ) ( ) x ⋅ exp − x 2 I0 2 SNRx dx − ln Pfa L'espressione è importante poiché mette in relazione PD e Pfa. CAP.3 – LUC.29/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO (cont.) Se si fissa la Pfa, noto il rapporto segnale rumore è possibile ottenere la PD attraverso la funzione di Marcum. Di solito la funzione di Marcum viene graficata in funzione del rapporto segnale rumore al variare della Pfa. Di solito tali curve sono parametrate sulla Pfa. CAP.3 – LUC.30/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR CALCOLO DEL RAPPORTO SEGNALE/RUMORE SU SINGOLO IMPULSO Probabilità di rivelazione in funzione del rapporto segnale-rumore (funzione di Marcum) CAP.3 – LUC.31/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) La sezione trasversa di back-scattering (RCS) di un oggetto non sferico e in movimento rispetto al radar deve essere considerata variabile nel tempo a causa ad es. delle continue variazioni di assetto del bersaglio. Le variazioni della RCS possono essere tenute in conto trattando la RCS come un processo stocastico. La caratterizzazione completa di un processo stocastico richiede la conoscenza delle densità di probabilità congiunte di ogni ordine. Siccome non si hanno a disposizione tali dati, ci si limita a considerare una descrizione stocastica del fenomeno basata sui momenti del primo e del secondo ordine (medie e funzioni di correlazione). CAP.3 – LUC.32/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Modelli della RCS per un sistema discreto di diffusori (cont.) 3 5 4 4 1 T 2 2 1 Caratterizzazione dell’oggetto mediante scatteratori elementari (N = 5) 2 4π δi λ k =1 2 in cui |v| è la potenza riemessa, k è la costante che proviene dalla equazione radar. σ = v 2 (t ) k = N ∑ α i exp j CAP.3 – LUC.33/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Modelli della RCS per un sistema discreto di diffusori (cont.) RCS di un sistema costituito da 5 scatteratori: diagramma polare CAP.3 – LUC.34/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Modelli della RCS per un sistema discreto di diffusori (cont.) RCS di un sistema costituito da 5 scatteratori: istogramma CAP.3 – LUC.35/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Modelli della RCS per un sistema discreto di diffusori (cont.) Per avere un idea dell'entità della variazione della RCS σ, si consideri un caso semplice in cui si hanno solo due scatteratori (N = 2). Si supponga inoltre che i due elementi scatteranti siano identici e non interagenti, in campo lontano. δ = l ⋅ sin(θ ) per cui la differenza di fase è pari a ∆ϕ = ∆ϕ = ϕ 2 − ϕ1 = 4πδ λ 4π l sin θ λ 1 l 2 Sistema costituito da due scatteratori CAP.3 – LUC.36/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Modelli della RCS per un sistema discreto di diffusori (cont.) a a 2 A a a ∆ϕ A/2 a2 A 4π cos sin = 1 + l θ 2 λ 2 Composizione vettoriale dei due contributi che raggiungono il radar Se l'ampiezza dei due contributi vale a e lo sfasamento tra i due è pari a ∆ϕ il modulo del vettore somma A è 2 a2 A 2 2 ∆ϕ = = a cos 2 2 2 ∆ϕ + cos 1 2 2 2 l a = + cos π sin θ 1 4 λ 2 CAP.3 – LUC.37/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Modelli della RCS per un sistema discreto di diffusori (cont.) La RCS complessiva è σ TOT 4π l sin θ = 2σ 1 1 + cos λ Per θ = 0 si ha σtot=4σ1. Se sin θ = che, equivale a λ 4l θ = λ 4l , si ha: 4π l λ sin θ = π da cui σ TOT = 0 . CAP.3 – LUC.38/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Modelli della RCS per un sistema discreto di diffusori (cont.) σ TOT 4σ 1 4 0 sinθ sin λ 4l λ 2l 3λ 4l 5λ 4l 1 Andamento della σTOT di due diffusori isotropici eguali a distanza l CAP.3 – LUC.39/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Modelli della RCS per un sistema discreto di diffusori (cont.) In generale il numero di lobi nel semipiano ν= 2 λ 2l = 4l λ Il fattore due tiene conto del fatto che sinθ assume valori tra -1 e 1. La larghezza del lobo è pari a λ/2l. Se ad es. l = 5λ si ha v = 20 e l'oggetto ha dimensioni dell'ordine delle centinaia di λ, per ogni coppia di scatteratori si avranno centinaia di lobi. CAP.3 – LUC.40/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Modelli della RCS per un sistema discreto di diffusori Andamento della RCS per due diffusori eguali: (a) l = λ, (b) l =2λ, (c) l = 4λ CAP.3 – LUC.41/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Modelli di RCS per oggetti complessi (cont.) Andamento della RCS di un aereo B-26 per λ= 10 cm CAP.3 – LUC.42/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Modelli di RCS per oggetti complessi (cont.) (in dB below 45) b 0 a a =45° -10 -20 -30 -40 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 (degrees) Andamento della RCS per un corner reflector CAP.3 – LUC.43/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Modelli di RCS per oggetti complessi (cont.) Un altro parametro importante al quale è legato l'andamento della RCS è la polarizzazione dell'onda e.m. che incide sull'oggetto. Ciò vale per tutti gli oggetti tranne che per la sfera. TX V V H H RX H V H V Combinazioni delle polarizzazioni in trasmissione e ricezione CAP.3 – LUC.44/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Modelli di RCS per oggetti complessi (cont.) Un oggetto di forma complicata come ad es. un aeroplano può anche dare luogo a riflessioni multiple del segnale incidente Riflessioni multiple da un aereo I contributi alla potenza retrodiffusa prodotti dalle riflessioni multiple possono essere di notevole entità e quindi la RCS può anche essere molto elevata. In generale questi tipi di riflessioni multiple possono essere riflessioni a due o tre o quattro “rimbalzi”. CAP.3 – LUC.45/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Modelli di RCS per oggetti complessi Un modo conveniente per caratterizzare la RCS di un generico bersaglio, consiste nel considerarla come un processo stocastico, visto che i modelli e.m. possono essere estremamente complicati. A volte però ciò può portare ad approssimazioni anche grossolane. I modelli stocastici più utilizzati sono i quattro Modelli di Swerling. Essi qualificano la variazione nel tempo della RCS assegnando a questa una funzione di densità di probabilità al primo ordine e un andamento della funzione di correlazione che decresce rapidamente (o lentamente) rispetto alle costanti di tempo in gioco (come il dwell time td e il tempo di scansione Ts ). CAP.3 – LUC.46/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Modelli di Swerling (1° e 2°) (cont.) Nei modelli Swerling1 e Swerling2 si assume che la RCS σ sia caratterizzata da una densità di probabilità di tipo esponenziale p (σ ) = 1 σ0 e − σ σ0 U (σ ) in cui σ0 è il valore medio della RCS. Nel modello Swerling1 si assume che l'andamento della RCS all'interno del dwell time sia fortemente correlato (fluttuazione della RCS lenta). Al contrario nel modello Swerling2 si suppone che la RCS presenti un andamento fortemente decorrelato all'interno del dwell time (fluttuazione rapida della RCS). CAP.3 – LUC.47/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Modelli di Swerling (1° e 2°) (cont.) SW 1 SW 3 (a) tD SW 2 SW 4 t (b) tD t Andamento della ampiezza, che mostra la diversa correlazione tra impulso ed impulso nei modelli di Swerling: (a) 1 e 3, correlazione unitaria (b) 2 e 4, scorrelazione CAP.3 – LUC.48/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Modelli di Swerling (1° e 2°) (cont.) SW 1 SW 3 SW 2 SW 4 t tD (a) TSCAN (a) t tD (b) TSCAN Andamento tipico, da scansione a scansione, nei modelli di Swerling: (a) Swerling1 (o 3), (b) Swerling2 (o 4) CAP.3 – LUC.49/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Modelli di Swerling (1° e 2°) (cont.) Considerando il bersaglio costituito da numerosi diffusori indipendenti per il teorema del limite centrale la sua eco complessa ha componenti in fase e quadratura (I e Q) gaussiane a valor medio nullo e con eguale varianza e indipendenti. Pertanto l'ampiezza A= I +Q 2 2 è distribuita secondo la Rayleigh e il suo quadrato che è proporzionale alla RCS è distribuito in modo esponenziale. CAP.3 – LUC.50/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Modelli di Swerling (1° e 2°) Per i modelli Swerling3 e Swerling4 (SW3 e SW4) si ripete il discorso fatto per i modelli SW1 e SW2 ma la funzione di densità del primo ordine della RCS è pari a p (σ ) = 4σ σ 2 0 e − 2σ σ0 U (σ ) Il modello SW3 è a fluttuazione lenta mentre SW4 è a fluttuazione rapida; il termine “rapida” indica una costante di tempo ben più piccola del dwell time. Per completezza si considera anche il modello di Swerling relativo al bersaglio fisso convenzionalmente indicato come Swerling5 (SW5) o Swerling0 (SW0). CAP.3 – LUC.51/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Probabilità di rivelazione per bersagli fluttuanti (cont.) Sia A2 s = SNR = 2σ n2 il rapporto segnale/rumore associato all'eco di ampiezza di valore efficace A 2 del bersaglio; σn è il valore efficace della tensione di rumore. Nelle ipotesi di bersaglio fisso la probabilità di corretta rivelazione è pari a PD = PD ( s ) = 2e −s ∞ ∫ ( ) x⋅e − x2 ( ) ⋅ I 0 2 sx dx − ln Pfa CAP.3 – LUC.52/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Probabilità di rivelazione per bersagli fluttuanti (cont.) Se la RCS del bersaglio non è costante ma varia secondo un modello di Swerling, nota la probabilità di corretta rivelazione PD condizionata ad un valore di s, PD(s), e la densità di probabilità della variabile s, p(s), per definizione la probabilità di corretta rivelazione è data dalla relazione ∞ ∫ PD = PD ( s) p( s)ds 0 Se si impiegano i modelli SW1 e SW2 si ha che s s0 1 p(s) = e U (s) s0 in cui s0 è il valore medio del SNR. − CAP.3 – LUC.53/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Probabilità di rivelazione per bersagli fluttuanti (cont.) Nel caso di bersagli SW1 e SW2 esiste una procedura più agevole. I segnali presenti sulle componenti in fase e quadratura sono dati dalla somma delle tensioni vI(t) e vQ(t) associate al segnale di eco prodotto dal bersaglio (supposto ad es. di tipo SW2) con due segnali nI(t) e nQ(t), rappresentativi di un processo di rumore additivo supposto gaussiano. I (t ) = vI (t ) + nI (t ) Q (t ) = vQ (t ) + nQ (t ) Se il bersaglio segue un modello di tipo SW2 la statistica dei segnali vI e vQ è anch'essa gaussiana (infatti i modelli SW1 e SW2 si applicano a bersagli complessi con numerosi diffusori), e l'inviluppo dei segnali è Rayleigh. CAP.3 – LUC.54/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Probabilità di rivelazione per bersagli fluttuanti (cont.) Le grandezze I e Q sono ancora variabili gaussiane con varianze pari a σ s2 SNR = 2 σn σ I2 = σ Q2 = σ s2 + σ n2 = σ n2 ( 1 + SNR ) Detto v(t) il segnale di inviluppo v ( t ) = I 2 ( t ) + Q2 ( t ) la densità di probabilità associata all'inviluppo v(t) è di tipo Rayleigh v2 p ( v ) = 2 exp − 2 σ 2σ v U ( v ) 2 2 2 σ = σ + σ s n . in cui CAP.3 – LUC.55/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Probabilità di rivelazione per bersagli fluttuanti (cont.) Applicando la definizione di VT2 PD = exp − 2 2σ n ( 1 + SNR ) VT2 Pfa = exp − 2 2σ n Sostituendo 1 ln ( Pfa ) 1+ SNR = Pfa PD = exp 1 + SNR ln ( Pfa ) ln ( PD ) = 1 + SNR CAP.3 – LUC.56/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Probabilità di rivelazione per bersagli fluttuanti (cont.) PD = Probabilità di rivelazione (%) Andamento qualitativo della probabilità di rivelazione per bersaglio Swerling1 e per bersaglio non fluttuante (integrazione di 10 impulsi) 100 80 60 Bersaglio Swerling1 40 Bersaglio fisso 20 Da tali curve è possibile ricavare il valore del rapporto SNRmin necessario per calcolare la portata radar. Tali curve sono equivalenti, come scopo, alle curve di Marcum già viste nel caso di bersaglio fisso. 10 8 6 4 2 1 SNR (dB) -8 -4 0 4 8 12 CAP.3 – LUC.57/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Probabilità di rivelazione per bersagli fluttuanti (cont.) Incremento del SNR su singolo impulso, dB 20 Incremento dello SNR necessario per rivelare un bersaglio fluttuante rispetto al bersaglio fisso 15 Swerling 1e2 10 (P fa 5 0 0.05 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 0.8 0.9 0.95 ) A parità di PD (in particolare per PD= 0.9), nel caso di un bersaglio SW1 si deve incrementare il SNRmin-fisso di una quantità ∆SNRmin= 7.5dB. Swerling 3e4 -5 0.01 = 10 −6 ÷ 10 −10 0.99 Probabilità di rivelazione CAP.3 – LUC.58/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Probabilità di rivelazione per bersagli fluttuanti fs (SNR) 1: “basso” SNR medio SNR PD 1 s1 s2 SNR Andamento tipico della probabilità di detezione al variare dello SNR (curva inferiore) e densità di probabilità di SNR (curve superiori) CAP.3 – LUC.59/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Caratterizzazione statistica della RCS (cont.) La potenza del segnale ricevuto, a meno di un fattore costante proveniente dalla equazione radar, è pari a p (t ) = I 2 (t ) + Q 2 (t ) Per definizione la tensione del segnale di inviluppo v(t) relativo all'eco ricevuto è pari a v( t ) = p( t ) = σ a meno di una costante moltiplicativa. CAP.3 – LUC.60/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Caratterizzazione statistica della RCS (cont.) La densità di probabilità pv(v) del segnale v(t) è legata alla densità della RCS, pΣ (σ ) attraverso la relazione (trasformazione di variabili aleatorie y = g ( x ) con g ( x ) = x ): pv ( v ) = pΣ (σ = v 2 ) 1 = pΣ ( v 2 ) 2v dv dσ Assegnata la pv(v) è possibile ricavare la funzione pΣ(σ) attraverso la relazione ( pΣ (σ ) = pv v = σ ) dv (σ ) dσ = pv ( )2 σ 1 σ CAP.3 – LUC.61/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Caratterizzazione statistica della RCS (cont.) Ad es. se 1 σ pΣ (σ ) = exp − σ0 σ0 U (σ ) v2 pv ( v ) = exp − σ0 σ0 U ( v ) 2v 2 che è una espressione Rayleigh con σ0 = 2σn . 2 Per i modelli SW1 e SW2, 2σn è pari alla potenza del segnale. CAP.3 – LUC.62/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Caratterizzazione statistica della RCS (cont.) Alcuni modelli di RCS vengono ricavati approssimando un bersaglio generico con un insieme di N elementi scatteranti. La potenza del segnale di eco, e quindi la RCS y, è pari a y = x12 + x22 + ... + xN2 in cui xi sono variabili gaussiane. Se esse hanno valor medio nullo e la stessa varianza, la funzione di densità di probabilità della RCS y ha l'espressione fy ( y) = (σ N − 1) ( y 2 n y exp − 2 U ( y ) N 2σ n 2 Γ ( N 2) ) in cui σn2 è la varianza associata alla singola variabile gaussiana. Si osserva che se N è un numero pari, N = 2m, si ottiene una funzione di densità esponenziale se si pone m = 1. Se invece si pone m = 2 si ottiene la funzione di densità relativa ai modelli SW3 e SW4. CAP.3 – LUC.63/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Caratterizzazione statistica della RCS (cont.) fy ( y) = La (σ N − 1) ( y 2 n y exp − 2 U ( y ) N 2σ n 2 Γ ( N 2) ) può essere estesa ad un parametro m qualsiasi (non intero) e si ha fy ( y) = (σ y exp − 2 U ( y ) 2m 2σ n 2 Γ ( m) y m −1 n ) Per bersagli aeromobili i valori tipici di m sono 0.9 < m < 2 mentre per satelliti o cilindri sono dell'ordine di 0.3 < m < 2. CAP.3 – LUC.64/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Caratterizzazione statistica della RCS Esistono altri modelli come quello proposto da RICE in cui si ipotizza di avere un oggetto in cui sia identificabile un elemento diffondente principale circondato da tanti piccoli diffusori casuali. Un altro modello è quello Log-Normale; la legge Log-Normale si ottiene calcolando l'esponenziale di una variabile gaussiana che abbia valor medio positivo. Una RCS y di tipo log-normale ha densità: 2 ln y µ − ( ) 1 f ( y) = exp − U ( y ) 2 2sd sd ⋅ y ⋅ 2π con: sd = deviazione standard del logaritmo di y µ = valore atteso del logaritmo di y CAP.3 – LUC.65/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) La tecnologia STEALTH e le relative contromisure (cont.) Con il termine inglese stealth ( lett. azione furtiva, l’essere furtivo, clandestinità ) si intende la tecnologia militare che ha come scopo quello di rendere un aereo o un missile "quasi invisibile" al radar nemico o a qualsiasi altra forma di rivelazione (elettronica, termica, ect.). CAP.3 – LUC.66/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) La tecnologia STEALTH e le relative contromisure Alla base della capacità di un aereo o di un missile stealth di evadere le contromisure difensive del nemico vi è la combinazione degli effetti dovuti a materiali particolari e di un’adeguata forma dell’oggetto. La riflessione dell’eco radar da parte di un Bombardiere Stealth B-2 disposto frontalmente è pari a –40 dBm2 cioè 10-4 m2 . Il nuovo aereo JSF ( Joint Strike Fighter) viene visto con una RCS (Radar Cross Section) leggermente superiore, circa –30 dBm2. Il nuovo F/A-18E/F della Marina ha un RCS di +1 dBm2, mentre il bombardiere della precedente generazione, il noto B-52, ha RCS di +40 dBm2. Le tecniche per ridure la RCS di un aeromobile (o di un'imbarcazione) si basano (a) sui materiali, e (b) sulla forma. CAP.3 – LUC.67/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Punti che contribuiscono alla RCS di un aereo e tecniche per ridurre la RCS agendo sulla forma CAP.3 – LUC.68/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) Punti che contribuiscono alla RCS di un aereo e tecniche per ridurre la RCS agendo sulla forma CAP.3 – LUC.69/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR BERSAGLI FLUTTUANTI E MODELLI DI SWERLING (SINGOLO IMPULSO) La tabella che segue, presa da Aviation-Week, 2001, mostra valori tipici di RCS per veicoli e oggetti CAP.3 – LUC.70/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Processo di integrazione Coerente (cont.) Si supponga di aver ricevuto N impulsi relativi ad un determinato bersaglio supposto fermo e fisso (frequenza Doppler fD = 0). Inoltre si ipotizzi che il disturbo sia il solo rumore termico. Il processo di somma viene comunemente denominato "integrazione degli impulsi". Il tipo di integrazione sopra descritto è di tipo coerente poiché tiene conto delle fasi associate ai segnali relativi ai singoli echi ricevuti e fornisce un guadagno di integrazione Gint. Il rapporto SNR all'uscita dell'integratore è pari a SNRout = Gint SNRin in cui SNRin è il rapporto SNR che va inserito nella equazione del radar. CAP.3 – LUC.71/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Processo di integrazione Coerente (cont.) Il guadagno Gint derivante dal processo di integrazione può essere giustificato in base alle osservazioni riportate di seguito. Si supponga il bersaglio fisso. 1 2 n1 s1 v1 n2 s2 nN N sN vN v2 Composizione vettoriale di segnale e rumore CAP.3 – LUC.72/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Processo di integrazione Coerente (cont.) Ai vettori del segnale utile, vanno sommati i vettori ni rappresentativi del processo di disturbo, le cui componenti sono pari a nIi(t) e nQi(t) i=1,..,N . L'orientamento e l'ampiezza dei vettori di disturbo sono aleatori. I segnali ricevuti (somma di segnale utile e rumore) sono rappresentati dai vettori v1, v2..., vN. Quando si effettua integrazione i vettori dei segnali utili si sommano in N fase dando luogo ad un vettore il cui modulo sRis è pari a ∑s i i =1 e, nel CAP.3 – LUC.73/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI caso di eguali ampiezze, a Ns1 (s1: tensione associata al segnale utile). Invece i vettori associati ai segnali di rumore formano un poligonale aleatoria come indicato in figura in cui nRis è la tensione associata al vettore risultante. sN s2 s1 n2 n1 n Ris nN Somma delle componenti di segnale utile e di rumore CAP.3 – LUC.74/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Processo di integrazione Coerente (cont.) Nelle ipotesi in cui siano note le varianze σ 2 i i =1,..., N, delle variabili di rumore e che queste ultime siano indipendenti e a valor medio nullo, la varianza del rumore complessivo è pari a 2 σ TOT = N ∑ σ i2 i =1 2 2 σ = σ ∀i i Se si ha 2 σ TOT = Nσ 2 CAP.3 – LUC.75/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Processo di integrazione Coerente (cont.) Se si va a calcolare lo SNR associato al bersaglio fisso dopo il processo di integrazione, dalle definizioni precedenti si ha SNRout = s 2 Ris 2 TOT 2σ 2 N s s1 = = N 2 = N ⋅ SNRin 2Nσ 2σ 1 2 2 1 2 1 Con l'ntegrazione coerente si è ottenuto un guadagno di integrazione pari a N. CAP.3 – LUC.76/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Processo di integrazione Coerente Se il bersaglio è mobile (ossia fD ≠ 0) occorre fare una somma pesata dei vettori ricevuti in modo da "mettere in fase" i vettori associati al segnale utile. Per eseguire una simile operazione occorre conoscere, in linea di principio, la frequenza Doppler associata al bersaglio. In seguito verranno analizzati metodi di rivelazione ottima per tale situazione; essi conducono a un “banco di filtri” nel dominio della frequenza Doppler. CAP.3 – LUC.77/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Processo di Integrazione non coerente (cont.) Si supponga che il bersaglio sia fisso. Per ogni eco ricevuto si possono individuare due componenti di segnale Ii(t) e Qi(t) i=1,..., N. Si supponga di estrarre i relativi inviluppi vi (t ) = ( I (t ) 1 2 + Qi (t ) 2 ) e di sommarli. L'operazione di decisione viene ora effettuata sulla variabile aleatoria somma degli inviluppi associati ai singoli echi ricevuti. CAP.3 – LUC.78/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Processo di Integrazione non coerente (cont.) Per il calcolo della probabilità di corretta rivelazione, PD, o della probabilità di falso allarme, Pfa, in questo nuovo caso occorre calcolare la funzione di densità della v.a. somma degli inviluppi. Per fare ciò si può supporre che le v.a. di inviluppo siano statisticamente indipendenti. Di conseguenza la funzione di densità della v.a. somma è pari alla convoluzione delle densità di probabilità (non necessariamente uguali) delle singole v.a. Ovviamente se le funzioni di densità delle singole v.a sono uguali, per determinare la densità della variabile somma basta calcolare l'antitrasformata di Fourier della n-esima potenza della funzione caratteristica della densità di probabilità associata alla singola v.a. CAP.3 – LUC.79/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Processo di Integrazione non coerente (cont.) Va osservato che non è possibile applicare il teorema del limite centrale in quanto se N non è sufficientemente elevato, esso non fornisce delle buone approssimazioni sulle code della distribuzione della v.a. somma. Siccome ci si interessa della Pfa e quindi dell'andamento delle code della distribuzione della v.a. somma, non è possibile approssimare la densità della v.a. somma con la legge gaussiana. CAP.3 – LUC.80/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Processo di Integrazione non coerente Nel caso di rivelazione non coerente, il guadagno di integrazione è inferiore a N. Inoltre si dimostra che l'efficienza di integrazione non coerente è funzione del numero di impulsi integrati e dipende dai valori di PD e Pfa. Occorre infine precisare se l'operazione di integrazione non coerente viene fatta considerando le grandezze I (t ) + Q (t ) 2 i 2 i oppure considerando le grandezze 2 2 I i (t ) + Qi (t ) . CAP.3 – LUC.81/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Guadagno di integrazione in funzione del numero di impulsi integrati non coerentemente (N) 1.000 12 PD =0.99 PD =0.90 G 100 =N PD =0.50 PD =0.99 PD=0.90 nfa=10 4 ti nt eg ra t or PD =0.50 Pe rfe c Guadagno di integrazione nfa=10 G= 10 1 1 10 100 N 1.000 N 10.000 CAP.3 – LUC.82/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Perdita di Integrazione Li (N) rispetto al caso di integrazione coerente 14 12 Perdita di integrazione Li(N), dB nfa=10 nfa=10 12 4 10 PD=0.50 PD=0.90 8 PD=0.99 6 4 2 0 1 10 100 1.000 N 10.000 CAP.3 – LUC.83/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Altri metodi di Integrazione Incoerente (cont.) Un altro metodo di integrazione incoerente molto utilizzato è di tipo non lineare e si basa sulla elaborazione del segnale ottenuto dal troncamento del segnale ricevuto rispetto ad una soglia. Si consideri un rivelatore (detector) che abbia la caratteristica in figura Ao 1 T1 Ai Caratteristica ingresso-uscita del rivelatore - quantizzatore In generale si può assumere che tra l'ampiezza del segnale in ingresso al detector Ai e quella in uscita Ao, ci sia una relazione del tipo Ao=g(Ai). In uscita dal detector si possono avere i due casi Ao= 0 oppure Ao= 1. Si tratta quindi di un quantizzatore ad 1 bit. CAP.3 – LUC.84/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Altri metodi di Integrazione Incoerente (cont.) Ricevitore Radar Rivelatore Soglia T1 (prima soglia) Quantizzatore Contatore Campionatore Bersaglio SI/NO Soglia T2 (seconda soglia) Schema a blocchi di un rivelatore a “doppia soglia” oppure a “finestra mobile binaria” T1 è il valore di prima soglia. All'uscita del rivelatore (quantizzatore) si ottiene una stringa di bit. CAP.3 – LUC.85/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Altri metodi di Integrazione Incoerente (cont.) {0,1} z -1 z -1 z -1 + SI >T2 NO 1 0 Registro a scorrimento Il segnale in uscita da tale registro viene calcolato in questo modo. Se il numero di 1 (cioè di detezioni) presenti nel registro ad un certo istante supera un valore prefissato T2 (detto valore di seconda soglia), in uscita dal registro a scorrimento viene emesso un valore 1, altrimenti si ha 0 (cioè si considera il bersaglio presente oppure no). CAP.3 – LUC.86/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Altri metodi di Integrazione Incoerente (cont.) Finestra mobile di lunghezza N in grado di traslare sul segnale in uscita dal detector muovendosi di un bit alla volta. Se il numero di 1 contenuti nella finestra ad un certo istante supera il valore di seconda soglia viene emesso un valore 1 altrimenti 0. Di solito si parla di logiche del tipo 3 su 5, 8 su 10 e 4 su 7. Ciò significa che viene emesso un valore uno se il numero di 1 presenti nella finestra supera ad es. il valore di 4 quando la finestra è lunga 7. Logica 4 su 7 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 SIN 0 1 1 1 1 1 S OUT Esempio di sequenze binarie nel rivelatore a “doppia soglia” CAP.3 – LUC.87/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Altri metodi di Integrazione Incoerente (cont.) La lunghezza N del registro a scorrimento deve essere scelta in relazione al tempo di insistenza (td ) che dipende a sua volta dalla PRF. In generale la lunghezza della finestra può essere assunta pari a PRF • td. La soglia T1 ,e il valore della seconda soglia T2, devono essere scelti in modo da ottenere la Pfa desiderata e massimizzare la PD. CAP.3 – LUC.88/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Tende a 0.2035 10.000 Numero di impulsi integrati N 1.000 Numero di impulsi N in funzione di nopt/N 100 10 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Valore ottimo di T2 /N 1.0 CAP.3 – LUC.89/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Altri metodi di Integrazione Incoerente L'uso della finestra mobile comporta una perdita (dovuta alla quantizzazione integrazione a 1 esaminati bit) rispetto ai procedimenti precedentemente. In pratica di il guadagno di integrazione Gint può essere determinato sottraendo 1÷1.5 dB dal valore del guadagno di integrazione non coerente. CAP.3 – LUC.90/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI Per un bersaglio non fluttuante le curve di Blake riportano l'andamento del SNR in funzione del numero di impulsi di integrazione per un fissato valore della probabilità di corretta rivelazione al variare della pfa. 15 13.2 Pfa=10 -12 10 10 -10 10 -8 SNR, dB 5 10 -6 10 -4 0 -5 - 10 - 15 1 10 100 1.000 10.000 Numero di impulsi, N SNR in funzione del numero di impulsi di integrazione per un fissato valore della probabilità di corretta rivelazione (PD= 0.90), per bersaglio fisso e 5 valori di Pfa (da: Blake) CAP.3 – LUC.91/92 FONDAMENTI DI RIVELAZIONE RADAR INTEGRAZIONE DEGLI IMPULSI dB 20 17.7 PD = 0.80 6 -6 Pn = 10 (n = 0.69 x 10 ) FEHLNER'S DATA, BASED ON MARCUM & SWERLING, COSTANT n 1 Steady target, video integration 2 Fast fluctuation, video integration (Swerling case 2) 3 Slow fluctuation, video integration (Swerling case 1) 4 Steady target, coherent integration 5 Slow fluctuation, coherent integration 15 12.5 1 10 2 3 5 5 0 4 Fluctuation loss = 5.2 dB 1 2 -5 - 10 - 15 1 2 3 5 10 100 1.000 10.000 N SNR (dB) su singolo impulso richiesto per avere PD = 0.8, Pfa = 10 in funzione del numero di impulsi integrati N (Barton) -6 CAP.3 – LUC.92/92