analisi e classificazione di segnali radar su base

UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI ROMA TOR VERGATA
Facoltà di Ingegneria
Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria delle Telecomunicazioni
ANALISI E CLASSIFICAZIONE DI SEGNALI
RADAR SU BASE SPERIMENTALE
Relatore
Co-Relatore
Prof. Gaspare Galati
Ing. Gianpiero Panci
Ing. Alessandro Bazzoni
Laureando
Maria Livia Cacciamani
AA 2011/2012
Introduzione
I moderni sistemi radar, dagli anni '60 in poi, usano sempre più una elaborazione
automatica dei dati grazie alla diffusione e allo sviluppo delle tecnologie DSP (Digital
Signal Processing) che permettono la realizzazione di rice-trasmettitori con funzionalità
modificabili a software (software defined). Il sistema radar oggi deve poter generare diversi
tipi di forme d'onda ( modulate in frequenza, modulate con codici di fase più o meno
complessi etc..) ed avere funzionalità multiple. Nei sistemi Radar software defined la
rivelazione e l'elaborazione dei segnali avviene per mezzo di sistemi elettronici
programmabili, come FPGA e /o DSP e dunque interamente definiti da un particolare
“programma”, i.e. dal software. In questo modo il sistema, in base allo scenario applicativo,
è in grado di operare in diverse modalità variando, anche in tempo reale, tipo di forma
d'onda trasmessa e tipo di processing in ricezione. Una variazione del firmware può
“trasformare” il sistema radar, ad esempio, da tradizionale sistema impulsato a forme
d'onda
modulate
o
codificate.
Le
tecnologie
digitali
permettono
di
ridurre
considerevolmente il numero di componenti, le dimensioni, il peso, il consumo di potenza, i
costi ed aumentare di gran lunga la flessibilità nella progettazione degli apparati. Il seguente
lavoro ha come obiettivo l'implementazione di un algoritmo di processing mirato alla
rivelazione, separazione e classificazione di forme d'onda tipicamente impiegate nei radar
LPI (Low Probability of Intercept).
Nel capitolo 1 vengono introdotte le più comuni forme d'onda a compressione di impulso
utilizzate, impulsate e continue, con le loro caratteristiche peculiari come lo spettro, la
funzione di autocorrelazione, il prodotto banda-durata etc. con l'ausilio di grafici ottenuti per
mezzo di un tool sviluppato in ambiente Matlab per la generazione di tali segnali.
Nel capitolo 2 si mostra una schematizzazione di un generico sistema di difesa elettronica
con un'attenzione particolare agli apparati ESM/ELINT e ai radar LPI.
Nel capitolo 3 si affrontano differenti tecniche di rivelazione per segnali LPI:
•
La STFT per eseguire un pre-processing basato su rappresentazione tempo-frequenza
(spettrogramma).
•
Il deramping per la rivelazione di segnali LFM (Linear Frequency Modulation)
5
•
Il filtraggio pseudo-adattato, basato sulla conoscenza a priori di alcuni parametri
caratteristici delle forme d'onda di interesse.
•
Cenni sulla cross-correlazione, che permette di sfruttare le informazioni ricevute su
due canali distinti.
Successivamente si introduce una soluzione per la realizzazione di un ricevitore radar
software defined in grado di elaborare automaticamente un elevato volume di dati, rivelare
la presenza o meno di determinate forme d'onda di interesse, classificarle e memorizzarle.
La rivelazione si basa su una strategia di decisione a soglia, scelta in modo opportuno,
tenendo in considerazione il fatto che non si abbia alcuna informazione sul modello
statistico delle diverse emittenti interferenti e sulla conoscenza a priori dei parametri
caratteristici dei segnali studiati.
Nel capitolo 4, infine, vengono mostrati i risultati ottenuti con suddetto software applicato a
segnali reali.
6
Indice generale
Tabella degli acronimi................................................................................................. 4
Tabella dei simboli....................................................................................................... 5
Introduzione................................................................................................................. 6
1) Segnali Radar e Pulse Compression..................................................................... 7
1.1) Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW)..........................................8
1.1.1) Dente di sega (Sawtooth).................................................................................................8
1.1.2) Modulazione di frequenza Triangolare.......................................................................... 10
1.2) Linear Frequency Modulation (LFM)............................................................. 12
1.2.1) Spettro del segnale Chirp...............................................................................................14
1.2.2) Funzione di autocorrelazione.........................................................................................15
1.3) Modulazione di fase........................................................................................ 17
1.3.1) Bynary Phase Shift Keying............................................................................................18
1.4) Codici di Frank................................................................................................20
1.5) Modulazione FSK (Frequency Shift Keying).................................................23
1.5.1) Codici Costas................................................................................................................ 24
1.5.2) Tecniche ibride FSK – PSK.......................................................................................... 27
2) Sistemi ES ed ELINT........................................................................................... 29
2.1) Sistemi ESM/ELINT ...................................................................................... 30
2.2) I Radar LPI...................................................................................................... 31
2.2.1) Principio di funzionamento............................................................................................33
2.2.2) Considerazioni sull'antenna........................................................................................... 34
2.2.3) Considerazioni sul Trasmettitore................................................................................... 35
2.2.4) Controllo della Potenza ................................................................................................38
2.2.5) Confronto tra un radar e un sistema di ricezione passivo.............................................. 39
2.2.6) Range Advance Factor (RAF)....................................................................................... 40
3) Progetto di un elaboratore ESM/ELINT Sotware Defined..............................44
3.1) Sistemi ESM/ELINT classici.......................................................................... 44
3.2) La STFT (Short Time Fourier Transform)......................................................45
1
3.2.1) Ottimizzazione della finestra temporale....................................................................... 49
3.2.2) Vantaggi e Svantaggi ................................................................................................... 52
3.2.3) Esempi........................................................................................................................... 53
3.3) Ricevitore ESM software defined.................................................................. 56
3.4) La tecnica del Deramping............................................................................... 57
3.4.1.1) Schema proposto per la tecnica del deramping......................................................65
3.4.1.2) Prestazioni..............................................................................................................66
3.4.1.3) Comportamento asintotico e casi particolari..........................................................71
3.5) La tecnica del filtraggio adattato....................................................................75
3.5.1) Scelta della soglia.......................................................................................................... 80
3.6) Cross-correlazione ..........................................................................................83
4) I risultati................................................................................................................85
4.1) Analisi dei Dati................................................................................................88
Conclusioni e raccomandazioni.............................................................................. 119
Bibliografia...............................................................................................................120
Indice delle figure.................................................................................................... 121
2
Tabella degli acronimi
COMINT Communication Intelligence
CW
Continuous Wave
DDS
Direct Digital Synthesizer
DSP
Digital Signal Processing
ELINT
Electronic Intelligence
ESM
Electronic Support Measurements
FFT
Fast Fourier Trasform
FMCW
Frequency Modulated Continuous Wave
FSK
Frequency Shift Keying
LFM
Linear Frequency Modulation
LPI
Low Probability of Intercept
PDW
Pulse Descriptor Word
PG
Processing Gain
PRI
Pulse Repetition Interval
PSK
Phase Shift Keying
PSLR
Peak to Side Lobe Ratio
PW
Pulse Width
RAF
Range Advance Factor
SIGINT
Signal Intelligence
STFT
Short Time Fourier Transform
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