بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به طیف سیگنال مدوالسیون دامنه و مقدار قدرمطلق داپلر هواپیما در باند فرکانسی HF، میتوان از بازه فرکانسی ۶۰ هرتز از سیگنال حامل، برای آشکارسازی اهداف در رادار غیرفعال بایاستاتیک HF استفاده کرد. با این حال، به دلیل نشتی توان سیگنال حامل، سیگنال مدوالسیون و کالترهای آنها، برای هدفهایی با اکوهای ضعیف و داپلرهای نزدیک به حامل، عمال امکان آشکارسازی وجود ندارد. این موضوع باعث کاهش برد موثر رادار و یا افزایش ناحیه کور داپلر در فرکانسهای نزدیک به حامل میشود. در این مقاله، از روش تخمین سیگنال برای کاهش اثرات مخرب حامل و سیگنال مدوالسیون استفاده میکنیم . برای این منظور، ابتدا سیگنال مزاحم را تخمین و سپس اثرات آن را با تشکیل یک مسئله فرامعین حذف میکنیم. روش پیشنهادی به صورت وفقی بر روی آرایه خطی با ۰۶ المان، پیادهسازی و نتایج آشکارسازی، باموقعیت اهداف در وب سایت www.FlightRadar24.comمقایسه شده است. نتایج بدست آمده نشان میدهد که روش پیشنهادی قادر به آشکارسازی هواپیماهای مسافربری تا فاصلهی ۸۵ کیلومتر ی میباشد.
کلمات کلیدی– رادار غیرفعال، یونسفر، داپلر، کالتر، نشتی توان.
-1 مقدمه
اصول عملکرد رادارهای غیرفعال باند - High Frequency - HF براساس آشکارسازی هدف توسط فرستندهای میباشد که کیلومترها از هدف و گیرنده دورتر میباشد. باتوجه به ماهیت امواج آسمانی، که از الیههای یونسفر برای انتقال استفاده میکنند، فرستنده میتواند هزاران کیلومتر دورتر از گیرنده باشد. بنابراین، این سامانهها دارای ویژگی پوشش وسیع و حتی ماوراء افق میباشند .]1[ از قابلیت دیگر این رادارها ، توانایی آنها در آشکارسازی اهداف رادار گریز میباشد. این موارد باعث شده است که این رادار در سامانههای هشدار اولیه و مراقبت مورد توجه قرار گیرد.سیگنالهای مدوله شده در باند HF، به صورت مدوالسیون دامنه AM - Amplitude modulation - یا رادیوهای دیجیتال میباشند.
اولین استفاده موفقیت آمیز از سیگنالهای AM برای آشکارسازی هواپیما، در آزمایش معروف Daventry در فوریه سال ۱130 بود .]2[ در این آزمایش، قابلیت آشکارسازی هواپیما با استفاده از امواج رادیویی تا فاصله ۸ مایل مورد ارزیابی قرار گرفت. قابلیت سیگنال AM برای آشکارسازی اهداف در رادار غیرفعال در ]0[ مورد بررسی قرار گرفته است. با این وجود، سیگنالهای AM، به دلیل داشتن پهنای باند 12 کیلوهرتز، دارای تابع ابهام راداری مناسبی نمیباشند [۴[]۱.] بنابراین، رادارهایی که از این سیگنالها استفاده میکنند، دارای قدرت تفکیک مکانی مناسبی نمیباشند. قدرت تفکیک مکانی برای این سامانهها در محدوده چند ده کیلومتر است.
در روش پیشنهادی [ Fabrizio۶]، از سیگنال حامل برای آشکارسازی اهداف استفاده شده است. هرچند، این موضوع باعث از دست رفتن اطالعات مربوط به شبه فاصله میشود. در این روش، سیگنالهای ورودی از فیلتر پایین گذر با فرکانس قطع 3۶ هرتز عبور داده میشوند. برای استخراج اطالعات مربوط به اهداف از بیمدهی مرسوم و پردازش داپلر استفاده شده است.با این وجود، به دلیل کیفیت نامناسب فرستندههای AM و ماهیت انتشار امواج در باند HF، برای هدفهایی که دارای اکوهای ضعیف و یا داپلرهای نزدیک به سیگنال حامل میباشند، سیگنال حامل و سیگنالهای چند مسیری ناشی از کالترها و یونسفر، میتوانند منجر به عدم آشکارسازی شوند.برای کاهش اثرات سیگنال حامل، میتوان از روشهای بیمدهی مرسوم مانند - minimum variance distortion less response - MVDR وایجاد صفر در راستای سیگنال مزاحم استفاده کرد.
با این وجود، به دلیل رفتار غیر یکسان الگوی آنتنها در باند HF، ایجاد صفر دقیق و قوی در راستای سیگنال حامل امکان پذیر نمیباشد. عالوهبراین، به دلیل کالترهای ناشی از ماهیت انتشار امواج در باند HF و سیگنالهای مزاحم ناشی از یونسفر، عمال سیگنالهای مزاحم از جهتهای مختلفی به گیرنده میرسند. بنابراین، ایجاد صفر در راستای سیگنال حامل، به تنهایی کفایت نمیکند. همچنین، در صورت استفاده از روشهای وفقی، به دلیل اینکه سیگنالهای مزاحم از مسیرهای مختلفی به گیرنده میرسند، عمال الگوی بیمدهی مناسبی تشکیل نمیشود.در این مقاله، از روش تخمین سیگنال برای حذف سیگنال کریر و کالترهای ناشی از آن استفاده میشود. برای این منظور، با استفاده از اطالعات همه کانالها، تخمین مناسبی از قویترین سیگنال مزاحم بدست میآوریم. سپس با استفاده از سیگنال تخمین زده شده، اثرات سیگنال مزاحم را در هر کانال به صورت جداگانه کاهش میدهیم.
-2 مدلسازی مسئله
برای رادارهای غیر فعال، با توجه به موقعیت هندسی فرستنده، گیرنده وهدف، سه چیدمان مختلف را میتوان در نظر گرفت. حالتهای مختلف برای چیدمان مسئله در شکل 1 آورده شده است. در وضعیت اول، سیگنال مسیر مستقیم در مقایسه با سیگنال هدف، به علت دوری فرستنده از گیرنده و نزدیک بودن آن به هدف، ضعیف است. در این چیدمان، سیگنال هدف قویتر از حالتهای دیگر میباشد. این چیدمان بهترین حالت برای مسئله است. چیدمان دوم دارای بدترین حالت است. زیرا سیگنال مسیر مستقیم به علت نزدیکی فرستنده و گیرنده بسیار قوی و سیگنال هدف به علت دور بودن فرستنده و گیرنده از هدف بسیار ضعیف است. بنابراین، برد سامانه نمیتواند از چند کیلومتر بیشتر باشد. حالت سوم یک حالت میانه است ودر اغلب اوقات با این چیدمان مواجه میباشیم. در این حالت، شدت سیگنال ارسالی در محل هدف، محل گیرند و محل کالتر تقریبا با هم برابر میباشند.
در این مقاله، فرض شده است که هدف مابین فرستنده و گیرنده، و در فاصلهای نزدیکتر به گیرنده قرار دارد.با انجام محاسبات ساده، میتوان نشان داد که نسبت توان سیگنال دریافتی از هدف به حامل، به صورت رابطه زیر میباشد:که در آن، ، ، ، ، و به ترتیب توان سیگنال دریافت شده از هدف در گیرنده، توان سیگنال حامل دریافت شده در گیرنده، فاصله بین هدف-گیرنده، فاصله بین هدف-فرستنده، فاصله بین فرستنده-گیرنده و سطح مقطع راداری بایاستاتیک هدف میباشند. نسبت توان حامل به سیگنال هدف - Carrier to target power ratio - CTPR برای سطحمقطع راداری 1 مترمربع و 13 مترمربع در شکل 2 آورده شده است. در این محاسبه، فاصله فرستنده از گیرنده برابر 1333 کیلومتر در نظر گرفته شده است. همان طور که مشاهده میشود، برای اهداف دور، توان سیگنال حامل میتواند به اندازه 133 دسیبل قویتر از توان سیگنال هدف باشد. این موضوع میتواند باعث محو شدن اهداف دور و عدم آشکارسازی آنها شود.
-3 روش پیشنهادی
با پردازش همدوس سیگنال AM، مشاهده میشود که طیف سیگنال مدوله شده، به طور متوسط به اندازه ۱1 دسیبل از سیگنال حامل پایینتر است. بنابراین، با توجه به طیف سیگنال مدوله شده که دارای کمترین انرژی در فرکانسهای کوچکتر از 3۶ هرتز میباشد، محدوده فرکانسی 3۶ هرتز از سیگنال حامل تقریبا خالی از انرژی میباشد، شکل .0با توجه به رابطه داپلر - 2 - ، شیفت داپلر 03 هرتز، در بیشترین فرکانس باند 03 - HF مگاهرتز - ، معادل یک هواپیما با سرعت نسبی 3۸13 کیلومتر بر ساعت میباشد. باتوجه به اینکه سرعت بیشتر هواپیماها کمتر از این مقدار است، قدرمطلق داپلر آنها همواره کمتر از 3۶ هرتز خواهد بود. بنابراین، میتوان از محدود فرکانسی 3۶ هرتز حول حامل، برای آشکارسازی اهداف در باند HF استفاده کرد.
که در آن ، و به ترتیب سرعت هواپیما، فرکانس سیگنال حامل و سرعت نور میباشند.با توجه به رابطه - 1 - و نتایج شکل 2، برای هدفی که در فاصله بیشتر از 133 کیلومتر از گیرنده قرار دارد، توان سیگنال برگشتی از هدف، حداقل به اندازه 33 دسیبل ضعیفتر از سیگنال کریر میباشد. بنابراین، نشتی توان سیگنال مدوله شده و سیگنال حامل، میتواند باعث عدم آشکارسازی اکوهای برگشتی ضعیف و داپلرهای نزدیک به حامل شود. این موضوع باعث کاهش فاصلهی مؤثر رادار و یا افزایش ناحیه داپلر کور شود. بنابراین، الزم است اثرات مخرب سیگنال حامل و مدوله شده، که به آن سیگنال مسیر مستقیم گفته میشود، کاهش پیدا کند.
برای کاهش اثرات سیگنال مسیر مستقیم، میتوان از ایجاد صفر در راستای آن استفاده کرد. در باند HF، به دلیل رفتار غیر یکسان الگوی آنتنها و شرایط محیطی برای کالیبراسیون، عمال ایجاد صفر دقیق و قوی در راستای سیگنال مسیر مستقیم کار دشواری میباشد. همچنین، به دلیل شرایط محیطی انتشار امواج در باند HF و رفتار یونسفر، سیگنال مسیر مستقیم و کالترهای آن از جهتهای مختلفی به گیرنده میرسند. بنابراین، همه درجههای آزادی برای حذف کالترهای قوی استفاده میشوند ]1[، و عمال روشهای وفقی کارایی چندانی نخواهند داشت. همچنین، به دلیل همدوس بودن سیگنالهایی که از جهتهای مختلف به گیرنده میرسند، روشهای بیمدهی مرسوم کارایی چندانی ندارند.
با توجه به اینکه امکان ایجاد الگوی آنتن مناسب وجود ندارد، برای حذف اثرات سیگنال مسیر مستقیم از روش تخمین سیگنال استفاده میکنیم. به دلیل شرایط محیطی، در هر کانال مجموعهای از سیگنالهای مسیر مستقیم وجود دارد که هر یک دارای دامنه، شیفت زمانی و داپلر مختلفی میباشند. شیفت زمانی به دلیل اختالف طول مسیر طی شده توسط سیگنالهای مزاحم به وجود میآید. همچنین، شیفت داپلر به دلیل ماهیت یونسفر و عبور سیگنال از الیههای جو ایجاد میشود. تحقیقات انجام شده نشان میدهد که بیشترین داپلر ناشی از یونسفر در حدود ۱2/ هرتز میباشد. سیگنال دریافتی در هر آنتن را به صورت زیر مدل میکنیم:
که در آن، ، ، ، ، ، ، ، ، ، ، M، L و به ترتیب، سیگنال مسیر مستقیم کل، سیگنالهای برگشتی از اهداف، سیگنال مسیر مستقیم، نویز گوسی سفید جمع شونده، دامنه سیگنالهای مسیر مستقیم، دامنه اکوهای برگشتی از اهداف، شیفت زمانی سیگنالهای مسیر مستقیم، شیفت زمانی اکوهای برگشتی از اهداف، شیفت فرکانسی سیگنالهای مسیر مستقیم، شیفت فرکانسی اکوهای برگشتی از اهداف، تعداد کالترهای سیگنال مسیر مستقیم، تعداد اکوهای اهداف و زمان نمونهبرداری میباشند.باتوجه به اینکه داپلر اکوهای برگشتی در بازه 3۶ هرتز میباشند، سیگنالهای ورودی را از فیلتر پایینگذر با فرکانس قطع 3۶ هرتز عبور میدهیم. به این ترتیب، سیگنال مسیر مستقیم را میتوان به صورت یک سیگنال سینوسی در نظر گرفت. بنابراین، شیفت زمانی سیگنال مسیر مستقیم را میتوان به صورت یک ضریب مختلط مدلسازی کرد:
