Sistema di controllo dei falsi allarmi per radar ad alta risoluzione

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1 UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI ROMA TOR VERGATA Università di Tor Vergata Facoltà di INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA DELLE TELECOMUNICAZIONI Tesi di Laurea in Teoria e Tecnica Radar Sistema di controllo dei falsi allarmi per radar ad alta risoluzione RELATORE Prof. Ing. Gaspare Galati CANDIDATO Fabrizio Paciucci Anno accademico 2000/2001

2 Indice Indice CAPITOLO 1: Introduzione.. pag. 1 CAPITOLO 2: Tecniche a mappa di clutter.... pag ) Struttura del rivelatore.. pag ) Il ricevitore logaritmico... pag ) Mappa di clutter monoparametrica pag ) Calcolo dei coefficienti del rivelatore monoparametrico pag ) Mappa di clutter biparametrica.. pag ) Tecniche di antimascheramento pag. 37 CAPITOLO 3: Analisi deterministica.. pag ) Analisi in presenza di solo rumore.pag ) Analisi in presenza di solo clutter.. pag ) Risposta al gradino CFAR monoparametrico pag ) Risposta al gradino CFAR biparametrico.. pag ) Risposta alla rampa CFAR monoparametrico pag ) Modelli di precipitazione. pag ) Determinazione dell eco di pioggia... pag ) Modello di Stutzman... pag ) Attenuazione dovuta alla pioggia.... pag ) Rapporto Segnale-Rumore.. pag. 127 i

3 Indice 3.6.4) Potenza di pioggia... pag ) Risposta del rivelatore monoparametrico pag. 177 CAPITOLO 4: Il valor di pag ) Valore di - ingresso del target... pag ) Valore di - ingresso di un banco di pioggia.. pag ) Sistema a soglia fissa.. pag ) Sistema a soglia adattativa.. pag ) Utilizzo della GEVT pag ) Valore di - perdite di rivelazione... pag ) Target fisso solo rumore... pag ) Target fisso solo clutter pag ) Target log-normale solo rumore... pag ) Target log-normale solo clutter pag ) Target SW1 solo rumore.. pag ) Scelta del valore di... pag ) Conclusioni pag. 250 CAPITOLO 5: Probabilità di detezione in presenza dell integratore... pag ) Pfa in presenza di solo rumore pag ) Pfa in presenza di solo clutter con agilità di frequenza.. pag ) Pfa in presenza di pioggia... pag ) Pfa in presenza di solo clutter senza agilità di frequenza... pag ) Probabilità di detezione con agilità di frequenza... pag ) Probabilità di detezione senza agilità di frequenza... pag. 291 CAPITOLO 6: Sviluppi futuri pag. 298 ii

4 Indice APPENDICE A: Calcolo della P fa e della P D per il riv. mono.... pag. 300 APPENDICE B: Caratteristica del ricevitore logaritmico reale... pag. 319 APPENDICE C: Legame tra e N eq... pag. 323 APPENDICE D: Programmi utilizzati nelle simulazioni.... pag. 327 D.1) Programma per la simulazione di un gradino in ingresso al rivelatore monoparametrico. pag. 329 D.2) Programma per la simulazione di un gradino in ingresso al rivelatore biparametrico... pag. 331 D.3) Programma per la simulazione di una rampa in ingresso al rivelatore monoparametrico. pag. 333 D.4) Programma per il calcolo dell attenuazione a due vie dovuta alla pioggia. pag. 336 D.5) Programma per il calcolo della tensione in uscita al ricevitore logaritmico dovuta all eco di pioggia. pag. 338 D.6) Programma per il calcolo della probabilità di detezione in funzione del rapporto segnale disturbo per sistema a soglia fissa e rivelatore monoparametrico senza integratore con agilità di frequenza.. pag. 343 D.7) Programma per il calcolo della probabilità di detezione in funzione del rapporto segnale disturbo per sistema a soglia fissa e rivelatore monoparametrico con integratore senza agilità di frequenza.. pag. 346 D.8) Programma per il calcolo della probabilità di falso allarme in funzione del coefficiente di soglia, tramite la GEVT.. pag. 350 BIBLIOGRAFIA pag. 357 iii

5 Introduzione Capitolo 1 Capitolo 1 Introduzione L elevato ritmo di crescita del traffico aereo registrato negli ultimi anni comporta, oltre all affollamento dello spazio aereo, un aumento del traffico di superficie all interno dell aeroporto, dovuto ai movimento degli aeromobili stessi e di tutti i mezzi di ausilio alla gestione dell aeroporto. Per far fronte all aumento del traffico e migliorare così la capacità dell aeroporto in condizioni di sicurezza è necessaria una continua innovazione dei sistemi di guida e controllo del traffico di superficie (con transizione dal SMGCS, Surface Movements Guidance and Control System, al A_SMGCS, Advanced SMGCS). In particolare devono essere migliorate le funzioni di sorveglianza del traffico di superficie, il cui compito è quello di localizzare ed identificare tutti i movimenti nelle diverse aree dell aeroporto. Gli oggetti di interesse sono i più svariati: aeromobili, autoveicoli di servizio, carrelli, rampe mobili, valigie. Tra tutti i sistemi di sorveglianza, il principale è lo SMR (surface movement radar), per la sua capacità di localizzare e individuare la presenza di bersagli non cooperanti, cioè bersagli che non comunicano la propria posizione. Gli stessi requisiti dettati dagli organismi internazionali (ICAO, Eurocontrol) possono essere però soddisfatti utilizzando una soluzione distribuita basata sull impiego non di un solo sensore ma di una rete di radar operanti a frequenze più elevate rispetto agli SMR attuali. La figura 1.1 mostra l architettura della rete di miniradar in cui è 1

6 Introduzione Capitolo 1 possibile riconoscere i vari sensori da distribuire in modo opportuno lungo la superficie aeroportuale. I vantaggi della soluzione distribuita sono: 1. Alta affidabilità: il sistema può continuare ad operare in caso di avaria di un sensore anche se con prestazioni ridotte; 2. Flessibilità: può essere facilmente integrato in qualsiasi scenario aeroportuale, indipendentemente dalla particolare tipologia e dal lay-out dell aeroporto; 3. Modularità: se un aeroporto ha bisogno di espandersi a causa della crescita della domanda di trasporto aereo o dell allungamento/aggiunta di piste o taxiway, è sufficiente aggiungere altri miniradar alla rete già costituita. Miniradar... Fibra ottica Fibra ottica Fibra ottica.. CONTROLLI REMOTI... ESTRATTORE DATI VIDEO FRAME (OPTION) DIGITAL SCAN CONVERTER ELABORAZIONE DI IMMAGINI SISTEMA DI TRACCIAMENTO Tracce INTERFACCIA Fusione dati Tracce FUSIONE Plots DATI Plots Elaboratore Centrale Radar Fig Architettura della rete di miniradar 2

7 Introduzione Capitolo 1 Una funzione fondamentale dell elaboratore di segnale in una radar di sorveglianza è quella di determinare la soglia di rivelazione, il cui confronto con il segnale ricevuto permette di stabilire la presenza o meno del target in un determinato punto della zona di copertura del radar. Tale soglia viene determinata in modo che il sistema soddisfi prefissati vincoli per la probabilità di corretta rivelazione e la probabilità di falso allarme. In particolare è desiderabile che essa inoltre si mantenga costante al variare delle caratteristiche dell ambiente disturbante (per esempio un incremento della potenza retrodiffusa verso il radar per il passaggio di un banco di pioggia). Gli elaboratori radar che godono di questa proprietà vengono detti elaboratori CFAR (Constant False Allarm Rate). Obiettivo della tesi è quello di progettare un sistema CFAR dimensionandone i vari parametri al fine di rispettare determinati vincoli sulla probabilità di falso allarme e la probabilità di corretta rivelazione. Vederne il comportamento quando in ingresso è presente una statistica di clutter diversa da quella scelta per la progettazione e quindi determinare le prestazioni del radar quando è presente un fenomeno piovoso sulla superficie aeroportuale. Calcolare le perdite di rivelazione nei scenari che si presentano sulla superficie aeroportuale. Determinare, infine, come vengono modificate le prestazioni del radar quando viene aggiunto un integratore nella catena ricevente, a monte del CFAR, con e senza agilità in frequenza. Finora i sistemi CFAR sono stati oggetto di alcune tesi di laurea a Tor Vergata, punto di partenza del seguente lavoro è l analisi critica di tali documenti. Lo studio dei risultati già attenuti rappresenta infatti un punto di partenza ottimale per la realizzazione definitiva di un rivelatore ad integrazione temporale. Essendo quindi un lavoro che punta ad essere l ultimo sull argomento si approfondiranno tra l altro aspetti pratici e realizzativi non considerati nei precedenti lavori. Una bassa complessità computazionale degli algoritmi sarà per esempio uno dei requisiti fondamentali che il sistema dovrà soddisfare. 3