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: Telerilevamento D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” •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. Telerilevamento D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” 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 Telerilevamento D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” • 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; Telerilevamento D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” CLUTTER – 5 Clutter di terra Dipendenza di sco da: • frequenza di trasmissione (cioè lunghezza d’onda l); • rugosità della superficie; • angolo di grazing ; • polarizzazione; Telerilevamento D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” 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 Telerilevamento D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” • 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; Telerilevamento D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” CLUTTER – 8 Densità di probabilità dell’ampiezza/potenza L’eco di cluttersomma 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). Telerilevamento D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” 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 Telerilevamento D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” PRF 0.13l a N A CLUTTER – 10 Distribuzione spettrale del clutter (II) Spettro che si replica con periodo pari alla PRF. Telerilevamento D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” CLUTTER – 11 Autocorrelazione del clutter Sc f Pc e 2 s f f f 0 2 2s 2f Rc t Ect ct t F 1 Sc f Pc e 2 2s 2f t 2 e j 2f 0t Pc t potenza coefficiente di correlazione L’autocorrelazione del clutter ha un andamento gaussiano con deviazione standard st=1/(2sf) 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 sf0 si ha un clutter totalmente correlato con Rc t Pc e j 2f 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. Telerilevamento D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” 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. Telerilevamento D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” 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. Telerilevamento D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” CLUTTER – 14 Discriminazione clutter fisso-bersaglio in movimento (I) In frequenza: bersaglio nave: velocità tipica 0 m/s fd=0 Hz; aereo: velocità tipiche 200300 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. Telerilevamento D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” 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. Telerilevamento D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” CLUTTER – 16 MTI a singolo cancellatore (I) dalla IF T ‾ + 2cos(2fIFt+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 Telerilevamento D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” CLUTTER – 17 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 ct ct T E ct ct T ct c* t T c* t ct T 2Ci R T RT 2 2 2 2Ci 2 ReRT 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 st st T E st st T st s* t T s* t st T 2Si 2 2 Potenza del segnale in ingresso 2 Contributi nulli (hp. rumore bianco) G1 Telerilevamento D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” 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(2fIFt+R) oscillatore coerente con /2 portante trasmessa T ‾ + T ‾ + cancellatore doppio Telerilevamento D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” 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 ct 2ct T ct 2T E ct 4 ct T ct 2T 2 2 2 2 Potenza del clutter in ingresso 2c* t T ct c* t 2T ct 2c* t ct T 2c* t 2T ct T c* t ct 2T 2c* t T ct 2T Autocorrelazione del clutter a T Autocorrelazione del clutter a 2T 1 4 6Ci 8 ReRT 2 ReR2T 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 st 2st T st 2T E st 4 st T st 2T .... 6Si Telerilevamento 2 2 2 Potenza del segnale in ingresso D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” 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 cos2f 0t con s t f0: portante del clutter; 1 2s f • per f0=0 (puntiforme&terra: importante per ATC) detto =(T) 2 iT i (T) > (2T) sempre IF2>IF1 sempre; • per f00 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. Telerilevamento D. Pastina, F. Colone – Dip. DIET, Univ. di Roma “La Sapienza” CLUTTER – 21