Il Clutter

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Il Clutter
Telerilevamento
D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza”
CLUTTER – 1
Tipi di clutter
Rivelazione bersaglio radar 
differenziazione dell’eco del bersaglio dal rumore e
dagli echi provenienti dall’ambiente che circonda il bersaglio stesso (Clutter).
Possibili sorgenti di clutter:
•terreno, montagne, edifici etc.;
•superficie marina;
•atmosfera (idrometeore);
•disturbi prodotti dall’uomo (chaff);
Clutter puntiforme (ad es. edificio)  come bersaglio
Possibili geometrie
di clutter:
Clutter di superficie:
•terra
•mare
Clutter distribuito o esteso
•pioggia;
Clutter di volume:
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•nebbia;
•neve;
CLUTTER – 2
Caratterizzazione del clutter
Clutter dal radar è visto allo stesso modo del bersaglio  clutter caratterizzabile mediante:
 sezione radar equivalente cioè la RCS del clutter sc: consente di
valutare la potenza relativa al clutter ricevuta dal radar;
 densità di probabilità dell’ampiezza dell’eco di clutter: consente
di tenere in conto le fluttuazioni dell’ampiezza dell’eco di clutter e
quindi di conoscere i valori più probabili;
 spettro di densità di potenza del clutter: tiene in conto la velocità
delle fluttuazioni significative associate all’eco di clutter;
Prenderemo in considerazione clutter esteso di terra, mare e pioggia.
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CLUTTER – 3
Clutter di superficie
Potenza ricevuta dal radar dal clutter superficiale con RCS sc:
C
Pt GAe
4 
2
R
4
sc
da caratterizzare quantitativamente:
s c  s o Ac
sco: riflettività superficiale (RCS
per unità di superficie);
Ac: area illuminata dal radar;
R

A
ct/2
Ac 
Ac
ct
ct
R A  s c  s o
R A
2 cos
2 cos
E’ possibile definire:
C
Pt GAes ct A
o
4 2 R 3 2 cos
Il clutter di superficie va
come 1/R3 anziché 1/R4
come per il bersaglio
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• rapporto potenza segnale utile-potenza clutter S/C (SCR:
Signal to Clutter power Ratio);
• rapporto potenza clutter-potenza rumore termico C/N (o
CNR: Clutter to Noise power Ratio);
• rapporto potenza segnale utile-potenza disturbo S/D con
D=C+N (o SDR: Signal to Disturbance power Ratio).
CLUTTER – 4
Clutter di mare
Dipendenza di sco da:
• frequenza di trasmissione (cioè lunghezza d’onda l);
• stato del mare;
• angolo di grazing ;
• polarizzazione;
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CLUTTER – 5
Clutter di terra
Dipendenza di sco da:
• frequenza di trasmissione (cioè lunghezza d’onda l);
• rugosità della superficie;
• angolo di grazing ;
• polarizzazione;
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CLUTTER – 6
Clutter di volume
Potenza ricevuta dal radar dal clutter superficiale con RCS sc:
C
Pt GAe
4 
2
R
4
sc
da caratterizzare quantitativamente:
s c  Vc
: riflettività volumetrica
(RCS per unità di volume);
Vc: volume cella di risoluzione radar;
Vc  R A R A
ct
ct
 s c  R 2 A A
2
2
E’ possibile definire:
P GA ct 
C  t e 2 2A A
4  R 2
Il clutter di volume va
come 1/R2 anziché 1/R4
come per il bersaglio
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• rapporto potenza segnale utile-potenza clutter S/C (SCR:
Signal to Clutter power Ratio);
• rapporto potenza clutter-potenza rumore termico C/N (o
CNR: Clutter to Noise power Ratio);
• rapporto potenza segnale utile-potenza disturbo S/D con
D=C+N (o SDR: Signal to Disturbance power Ratio).
CLUTTER – 7
Clutter atmosferico
Dipendenza di  da:
• frequenza di trasmissione (cioè lunghezza d’onda l);
• tipo di precipitazione (pioggia, neve etc.);
• intensità di precipitazione;
• polarizzazione;
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CLUTTER – 8
Densità di probabilità dell’ampiezza/potenza
L’eco di cluttersomma dei segnali prodotti da una molteplicità di riflettori elementari indipendenti
 sc variabile aleatoria
Diversi tipi di distribuzioni:
► fenomeni di clutter dovuti a somma di una molteplicità di contributi elementari
indipendenti e di entità confrontabile danno luogo ad una densità di probabilità
esponenziale (cioè gaussiana complessa sulle componenti analogiche e Rayleigh
sull’ampiezza);
► fenomeni di clutter dovuti a somma di un contributo dominante fisso più una
molteplicità di elementi secondari indipendenti danno luogo ad una densità di
probabilità Rice;
► fenomeni di clutter visti in alta risoluzione sono modellabili con densità di probabilità
più complesse (Weibull, Log-Normale, K-pdf).
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CLUTTER – 9
Distribuzione spettrale del clutter (I)
Segnale di clutter:
• indipendente in distanza: celle di risoluzione in distanza contigue danno luogo a ritorni di clutter
indipendenti;
• parzialmente correlato in azimuth: ritorni da una stessa cella di risoluzione in distanza relativi a
sweeps succcessivi sono parzialmente correlati  spettro di densità di potenza;
Possibile modello per lo spettro di clutter  spettro di tipo gaussiano
Sc  f  
f0 
2v0
l
Pc
e
2 s f

 f  f 0 2
2s
2
f
v0: velocità media
del clutter
Pc: potenza di clutter;
f0: frequenza doppler media del clutter;
sf: larghezza spettrale;
sf 
2
l
s V2
 s A2
sV: dispersione della velocità;
sA: dispersione dovuta all’antenna
s A  0.13l
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
PRF
 0.13l a
N
A
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Distribuzione spettrale del clutter (II)
Spettro che si replica con periodo pari alla PRF.
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CLUTTER – 11
Autocorrelazione del clutter
Sc  f  
Pc
e
2 s f

 f  f 0 2
2s 2f
Rc t   Ect ct  t   F 1 Sc  f  
 Pc e
 2 2s 2f t 2
e  j 2f 0t  Pc  t 
potenza
coefficiente di
correlazione
 L’autocorrelazione del clutter ha un andamento gaussiano con deviazione standard st=1/(2sf)
inversamente proporzionale alla deviazione standard (banda) dello spettro;
 L’autocorrelazione (il coefficiente di correlazione) valutata a distanza t misura la somiglianza dei valori
del segnale di clutter letti in due istanti di tempo distanti t;
 Clutter a banda stretta sono clutter fortemente correlati: al limite per sf0 si ha un clutter totalmente
correlato con Rc t   Pc e  j 2f 0t ;
 Clutter a banda larga sono clutter poco correlati: al crescere di sf l’autocorrelazione si stringe intorno
all’origine (t=0) e al limite per sf l’autocorrelazione diviene un impulso di Dirac nell’origine.
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CLUTTER – 12
Cancellazione del clutter
Obiettivo: individuare un sistema che consenta di discriminare tra clutter (echi radar da
ambiente circostante bersaglio) e segnale utile (eco radar da bersaglio di interesse).
Si
Ci
DISPOSITIVO
ANTI-CLUTTER
Ni
Si- Ci- Ni : potenza di segnale utile,
clutter e noise in ingresso al
dispositivo anti-clutter;
So
Co
No
So- Co- No : potenza di segnale
utile, clutter e noise in uscita al
dispositivo anti-clutter;
In ingresso il clutter è dominante rispetto al rumore termico (Ci>>Ni) in uscita
si desidera che il segnale utile debba competere con il solo rumore termico
(Co<<No)  si desidera cancellare il clutter preservando il segnale utile.
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CLUTTER – 13
Segnale relativo a bersaglio in movimento (II)
Possibile discriminazione del segnale utile relativo al bersaglio dal
clutter utilizzando il moto del bersaglio relativamente al clutter fisso.
• Bersagli in movimento possono essere distinti da bersagli stazionari (quindi da clutter a Doppler nulla: clutter
puntiforme e di terra) osservando l’uscita di un A-scope (ampiezza del segnale in funzione della distanza cioè
del tempo di ritardo):
• sulla base di un unico sweep bersagli in movimento non possono essere distinti da bersagli stazionari;
• su più sweep successivi echi da bersagli fissi restano costanti mentre echi da bersagli in movimento variano in
ampiezza ad un rate corrispondente alla frequenza Doppler su sweep successivi bersagli in movimento
sull’A-scope danno luogo ad un effetto a farfalla (butterfly );
(a-e) sweep consecutivi di un display di tipo A-scope;
(f) sovrapposizione degli sweep;
le frecce indicano la posizione di bersagli in movimento.
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CLUTTER – 14
Discriminazione clutter fisso-bersaglio in movimento (I)
In frequenza:
bersaglio
nave:
velocità tipica 0 m/s  fd=0 Hz;
aereo:
velocità tipiche 200300 m/s  fd=4 6 KHz (l=0.1m banda S);
puntiforme: velocità 0 m/s  fd=0 Hz;
clutter
terra:
velocità 0 m/s  fd=0 Hz;
mare:
velocità tipiche 4 10 m/s  fd=80  200 Hz (l=0.1m banda S);
pioggia:
velocità tipiche 10 20 m/s  fd=200  400 Hz (l=0.1m banda S);
In molti casi in frequenza i contributi di
segnale utile e clutter sono separati 
considerando il campionamento effettuato dal
radar alla PRF la situazione diviene:
Un bersaglio quale un aereo a causa del campionamento
può essere in una posizione qualunque della campata.
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CLUTTER – 15
Discriminazione clutter fisso-bersaglio in movimento (II)
E’ possibile cancellare il clutter puntiforme e di terra (cioè clutter con portante nulla) con filtri che
abbiano zeri in continua e a multipli della PRF mentre abbiano risposta non nulla alle altre frequenze
alle quali si può trovare il bersaglio di interesse schema MTI: Moving Target Indicator
(Indicatore di bersaglio in movimento)
Le prestazioni di questi filtri e dei sistemi radar che li utilizzano caratterizzabili con due quantità:
► IF-Improvement Factor: rapporto segnale a clutter all’uscita del filtro anti-clutter diviso per il rapporto
segnale a clutter in ingresso, mediato uniformemente su tutte le velocità radiali di interesse del bersaglio (i.e.
bersaglio assunto bianco in frequenza). E’ una misura della risposta del sistema MTI al clutter relativamente
alla sua risposta media al bersaglio.
Clutter
S C S C
IF  o o  o  i  G  CA attenuation
Si Ci Si Co
Guadagno sul segnale
► SCV-Sub-clutter Visibility: il rapporto per il quale la potenza dell’eco del bersaglio può essere più debole
della potenza dell’eco di clutter ed essere ancora rivelato con specificate probabilità di falso allarme e
rivelazione. Le potenze di bersaglio e clutter sono valutate su singolo impulso e tutte le velocità radiali del
bersaglio sono assunte equiprobabili.
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MTI a singolo cancellatore (I)

dalla IF
T
‾
+
2cos(2fIFt+R)
oscillatore coerente con
/2
portante trasmessa

‾
T
+
cancellatore singolo
Sottrazione coerente tra sweep attuale e sweep precedente equivale a mettere degli zeri a
multipli della PRF
bersaglio
bersaglio
sottraendo
clutter
clutter
sweep
precedente
Componente di clutter eliminatacomponente di segnale utile passa
sweep
attuale
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MTI a singolo cancellatore (II)
Improvement Factor
► Clutter attenuation: clutter in ingresso con autocorrelazione R(t)=Ci(t) ((t) coefficiente di correlazione a
distanza t) e quindi spettro di densità di potenza Sc(f)=CiF{(t)}  per il clutter in uscita si ha

 

C0  E ct   ct  T   E ct   ct  T   ct c* t  T   c* t ct  T   2Ci  R T   RT 
2
2
2
 2Ci  2 ReRT   2Ci 1  Re T 
Potenza del clutter in
ingresso
Autocorrelazione del clutter
CA1 
Ci
1

Co 2(1  Re (T ))
► Guadagno sul segnale: segnale utile in ingresso bianco con potenza Si (hp: tutte le frequenze Doppler
sono ugualmente probabili)

 

S0  E st   st  T   E st   st  T   st s* t  T   s* t st  T   2Si
2
2
Potenza del segnale in
ingresso
2
Contributi nulli (hp. rumore bianco)
G1 
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Improvement Factor
IF1  G1  CA1 
1
1   (T )
So
2
Si
CLUTTER – 18
MTI a doppio cancellatore (I)
Due cancellatori singoli posti in cascata

dalla IF
T
‾
T
+
‾
+
2cos(2fIFt+R)
oscillatore coerente con
/2
portante trasmessa

T
‾
+
T
‾
+
cancellatore doppio
Telerilevamento
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CLUTTER – 19
MTI a doppio cancellatore (II)
Improvement Factor
► Clutter attenuation: clutter in ingresso con autocorrelazione R(t)=Ci(t) ((t) coefficiente di correlazione a
distanza t) e quindi spettro di densità di potenza Sc(f)=CiF{(t)}  per il clutter in uscita si ha

 
C0  E ct   2ct  T   ct  2T   E ct   4 ct  T   ct  2T 
2
2
2
2
Potenza del clutter in ingresso
 2c* t  T ct   c* t  2T ct   2c* t ct  T   2c* t  2T ct  T   c* t ct  2T   2c* t  T ct  2T  
Autocorrelazione
del clutter a T
Autocorrelazione
del clutter a 2T
1

 4
 6Ci  8 ReRT  2 ReR2T   6Ci 1  Re T  Re 2T 
3
 3

CA2 
Improvement Factor
Ci
1

Co 6(1  4 3 Re (T ) 1 3 Re (2T ))
IF2  G2  CA2 
► Guadagno sul segnale: segnale utile in ingresso bianco con potenza Si

 

S0  E st   2st  T   st  2T   E st   4 st  T   st  2T   ....  6Si
Telerilevamento
2
2
2
Potenza del segnale in
ingresso
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2
1
4
1
1  Re (T ) Re (T )
3
3
G2 
So
6
Si
Contributi nulli (hp. rumore bianco)
CLUTTER – 20
Confronto singolo/doppio cancellatore (II)
ESEMPIO: spettro del clutter gaussiano
Re t   e

t2
2s t2
cos2f 0t  con s t 
f0: portante del clutter;
1
2s f
• per f0=0 (puntiforme&terra:
importante per ATC) detto =(T)
2
  iT    i  (T) > (2T) sempre  IF2>IF1 sempre;
• per f00 la relazione tra IF1 e IF2 dipende da f0;
E’ possibile considerare cancellatori n-pli (n cancellatori singoli in
cascata) si cancella sempre meglio il clutter fisso (residui più
bassi) ma si riduce sempre più lo spazio disponibile per il bersaglio.
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CLUTTER – 21