Clutter (radar)

Ecos no deseados

Different radar artifacts cluttering the radar display

Clutter^[1][2] is the unwanted return (echoes) in electronic systems, particularly in reference to radars. Such echoes are typically returned from ground, sea, rain, animals/insects, chaff and atmospheric turbulences, and can cause serious performance issues with radar systems. What one person considers to be unwanted clutter, another may consider to be a wanted target. However, targets usually refer to point scatterers and clutter to extended scatterers (covering many range, angle, and Doppler cells). The clutter may fill a volume (such as rain) or be confined to a surface (like land). A knowledge of the volume or surface area illuminated is required to estimated the echo per unit volume, η, or echo per unit surface area, σ° (the radar backscatter coefficient).

Causes

Clutter may be caused by man-made objects such as buildings and — intentionally — by radar countermeasures such as chaff. Other causes include natural objects such as terrain features, sea, precipitation, hail spike, dust storms, birds, turbulence in the atmospheric circulation, and meteor trails. Radar clutter can also be caused by other atmospheric phenomena, such as disturbances in the ionosphere caused by geomagnetic storms or other space weather events. This phenomenon is especially apparent near the geomagnetic poles, where the action of the solar wind on the earth’s magnetosphere produces convection patterns in the ionospheric plasma.^[3] Radar clutter can degrade the ability of over-the-horizon radar to detect targets.^[3][4] Clutter may also originate from multipath echoes from valid targets caused by ground reflection, atmospheric ducting or ionospheric reflection/refraction (e.g., anomalous propagation). This clutter type is especially bothersome since it appears to move and behave like common targets of interest, such as aircraft or weather balloons.

Clutter-limited or noise-limited radar

Las señales electromagnéticas procesadas por un receptor de radar constan de tres componentes principales: señal útil (por ejemplo, ecos de aviones), interferencias y ruido . La señal total que compite con el retorno objetivo es, por tanto, desorden más ruido. ^[5] En la práctica, a menudo no hay desorden o el desorden domina y el ruido puede ignorarse. En el primer caso, se dice que el radar está limitado por el ruido, mientras que en el segundo está limitado por el desorden.

Desorden de volumen

Figura 1. Ilustración de Rain Cell iluminada

La lluvia, el granizo, la nieve y la paja son ejemplos de desorden volumétrico. Por ejemplo, supongamos que un objetivo en el aire, a un alcance , se encuentra dentro de una tormenta. ¿Cuál es el efecto sobre la detectabilidad del objetivo? ${\displaystyle R}$

Primero encuentre la magnitud del retorno del desorden. Suponga que el desorden llena la celda que contiene el objetivo, que los dispersores son estadísticamente independientes y que están distribuidos uniformemente en todo el volumen. El volumen de desorden iluminado por un pulso se puede calcular a partir de los anchos del haz y la duración del pulso, Figura 1. Si c es la velocidad de la luz y es la duración del pulso transmitido, entonces el pulso que regresa de un objetivo es equivalente a un físico. extensión de c , al igual que el retorno de cualquier elemento individual del desorden. Los anchos de haz en acimut y elevación, en un rango , son y respectivamente si se supone que la celda iluminada tiene una sección transversal elíptica. ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle \theta /2}$ ${\displaystyle \phi /2}$

El volumen de la celda iluminada es entonces:

${\displaystyle \ V_{m}=\pi R\tan(\theta /2)R\tan(\phi /2)(c\tau /2)}$

Para ángulos pequeños esto se simplifica a:

${\displaystyle \ V_{m}\approx {\frac {\pi }{4}}(R\theta )(R\phi )(c\tau /2)}$

Se supone que el desorden es una gran cantidad de dispersores independientes que llenan la celda que contiene el objetivo de manera uniforme. El retorno de ecos parásitos del volumen se calcula como para la ecuación normal del radar , pero la sección transversal del radar se reemplaza por el producto del coeficiente de retrodispersión del volumen, y el volumen de las células de ecos parásitos, como se dedujo anteriormente. El retorno del desorden es entonces ${\displaystyle \eta }$

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G_{t}A_{r}}{(4\pi )^{2}R^{4}}}{\frac {\pi }{4}}(R\theta )(R\phi )(c\tau /2)\eta }$

dónde

• ${\displaystyle P_{t}}$= potencia del transmisor (vatios)
• ${\displaystyle G_{t}}$= ganancia de la antena transmisora
• ${\displaystyle A_{r}}$= apertura efectiva (área) de la antena receptora
• ${\displaystyle R}$= distancia del radar al objetivo

Se debe hacer una corrección para tener en cuenta el hecho de que la iluminación del desorden no es uniforme en todo el ancho del haz. En la práctica, la forma del haz se aproximará a una función sinc que a su vez se aproxima a una función gaussiana . El factor de corrección se encuentra integrando a lo largo del ancho del haz la aproximación gaussiana de la antena. La potencia retrodispersada corregida es

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G_{t}A_{r}}{2\log 2(4\pi )^{2}R^{4}}}{\frac {\pi }{4}}(R\theta )(R\phi )(c\tau /2)\eta }$

Se pueden hacer varias sustituciones simplificadoras. La apertura de la antena receptora está relacionada con su ganancia mediante:

${\displaystyle \ A_{r}={\frac {G\lambda ^{2}}{4\pi }}}$

y la ganancia de la antena está relacionada con los dos anchos de haz mediante:

${\displaystyle \ G={\frac {\pi ^{2}}{\theta \phi }}}$

Generalmente se utiliza la misma antena tanto para transmisión como para recepción, por lo que la potencia de parásitos recibida es:

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G\lambda ^{2}}{1024(\log 2)R^{2}}}c\tau \eta }$

Si la potencia de retorno de ruidos parásitos es mayor que la potencia de ruido del sistema, entonces el radar tiene límites de ruidos parásitos y la relación señal-ruido debe ser igual o mayor que la relación mínima señal-ruido para que el objetivo sea detectable.

De la ecuación del radar, el retorno desde el objetivo mismo será

${\displaystyle \ S={\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{(4\pi )^{3}R^{4}}}\sigma }$

con una expresión resultante para la relación señal/clutter de

${\displaystyle \ {\frac {S}{C}}={\frac {1024(\log 2)G\sigma }{(4\pi )^{3}R^{2}c\tau \eta }}}$

La implicación es que cuando el radar está limitado por el ruido, la variación de la relación señal/ruido es una cuarta potencia inversa. Reducir la distancia a la mitad hará que la relación señal/ruido aumente (mejore) en un factor de 16. Sin embargo, cuando el radar tiene un volumen limitado de interferencias, la variación es una ley del cuadrado inverso y reducir a la mitad la distancia hará que la señal mejore la interferencia. por sólo 4 veces.

Desde

${\displaystyle \ G={\frac {\pi ^{2}}{\theta \phi }}}$

resulta que

${\displaystyle \ {\frac {S}{C}}={\frac {16(\log 2)\sigma }{\pi R^{2}\theta \phi c\tau \eta }}}$

Se requieren anchos de haz claramente estrechos y pulsos cortos para reducir el efecto del desorden reduciendo el volumen de la celda de desorden. Si se utiliza la compresión del pulso , entonces la duración del pulso adecuada que se utilizará en el cálculo es la del pulso comprimido, no la del pulso transmitido.

Problemas al calcular la relación entre señal y volumen

Un problema con el desorden de volumen, por ejemplo la lluvia, es que el volumen iluminado puede no estar completamente lleno, en cuyo caso se debe conocer la fracción llena y los dispersores pueden no estar distribuidos uniformemente. Considere una viga de 10° de elevación. Con un alcance de 10 kilómetros, el haz podría cubrir desde el nivel del suelo hasta una altura de 1.750 metros. Podría llover al nivel del suelo pero la parte superior del haz podría estar por encima del nivel de las nubes. En la parte del haz que contiene lluvia, la tasa de lluvia no será constante. Sería necesario saber cómo se distribuyó la lluvia para realizar una evaluación precisa del desorden y la relación señal-obstrucción. Todo lo que se puede esperar de la ecuación es una estimación redondeada a los 5 o 10 dB más cercanos.

Desorden de superficie

El retorno del eco parásito a la superficie depende de la naturaleza de la superficie, su rugosidad, el ángulo rasante (ángulo que forma el haz con la superficie), la frecuencia y la polarización. La señal reflejada es la suma fasorial de un gran número de retornos individuales procedentes de una variedad de fuentes, algunas de ellas capaces de moverse (hojas, gotas de lluvia, ondas) y otras estacionarias (pilones, edificios, troncos de árboles). Las muestras individuales de desorden varían de una celda de resolución a otra (variación espacial) y varían con el tiempo para una celda determinada (variación temporal).

Relleno de viga

Figura 2. Ilustración de iluminación de obstáculos de superficie de ángulo alto y bajo

Para un objetivo cerca de la superficie de la Tierra, de modo que la Tierra y el objetivo estén en la misma celda de resolución de rango, son posibles una de dos condiciones. El caso más común es cuando el haz cruza la superficie en un ángulo tal que el área iluminada en cualquier momento es solo una fracción de la superficie cruzada por el haz, como se ilustra en la Figura 2.

Caso limitado de longitud de pulso

Para el caso de longitud limitada del pulso, el área iluminada depende del ancho del azimut del haz y de la longitud del pulso, medida a lo largo de la superficie. El parche iluminado tiene un ancho en azimut de

${\displaystyle \ 2R\tan \theta /2}$.

La longitud medida a lo largo de la superficie es

${\displaystyle \ (c\tau /2)\sec \psi }$.

El área iluminada por el radar viene dada por

${\displaystyle \ A=2R(c\tau /2)(\tan \theta /2)\sec \psi }$

Para anchos de haz "pequeños" esto se aproxima a

${\displaystyle \ A=R(c\tau /2)\theta \sec \psi }$

El retorno del desorden es entonces

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{(4\pi )^{3}R^{4}}}A\sigma ^{o}}$ vatios

Sustituyendo el área iluminada. ${\displaystyle A}$

${\displaystyle \ C={\frac {c}{2^{7}\pi ^{3}}}{\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{R^{3}}}\tau \theta \sec \psi \sigma ^{o}}$ vatios

¿Dónde está el coeficiente de retrodispersión del desorden? Convertir a grados e ingresar los valores numéricos da ${\displaystyle \sigma ^{o}}$ ${\displaystyle \theta }$

${\displaystyle \ C=1300{\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{R^{3}}}\tau \theta ^{o}\sec \psi \sigma ^{o}}$ vatios

La expresión para el retorno objetivo permanece sin cambios, por lo que la relación señal/clutter es

${\displaystyle \ {\frac {S}{C}}={\frac {1}{1300}}{\frac {R^{3}}{P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}}{\frac {1}{\tau \theta \sec \psi \sigma ^{o}}}{\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{(4\pi )^{3}R^{4}}}\sigma }$ vatios

Esto simplifica a

${\displaystyle \ {\frac {S}{C}}=4\times 10^{-7}{\frac {\cos \psi }{R\tau \theta }}{\frac {\sigma }{\sigma ^{o}}}}$

En el caso del ruido de superficie, la señal de ruido varía ahora inversamente con R. Reducir a la mitad la distancia sólo provoca una duplicación de la relación (una mejora del factor dos).

Problemas al calcular el desorden para el caso de duración limitada del pulso

Hay una serie de problemas al calcular la relación señal/clutter. El desorden en el haz principal se extiende sobre una variedad de ángulos rasantes y el coeficiente de retrodispersión depende del ángulo rasante. Aparecerá desorden en los lóbulos laterales de la antena, lo que a su vez implicará una variedad de ángulos rasantes y puede incluso implicar desorden de diferente naturaleza.

Caso de ancho de haz limitado

El cálculo es similar a los ejemplos anteriores, en este caso el área iluminada es

${\displaystyle \ A=\pi R^{2}\tan ^{2}\theta /2}$

que para anchos de haz pequeños se simplifica

${\displaystyle \ A\approx \pi R^{2}\theta ^{2}/4}$

El desorden regresa como antes.

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{(4\pi )^{3}R^{4}}}A\sigma ^{o}}$ vatios

Sustituyendo el área iluminada. ${\displaystyle A}$

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{(4\pi )^{3}R^{4}}}\pi R^{2}(\theta /2)^{2}\sigma ^{o}}$ vatios

Esto se puede simplificar a:

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{4^{4}\pi ^{2}R^{2}}}\theta ^{2}\sigma ^{o}}$ vatios

Convirtiendo a grados ${\displaystyle \theta }$

${\displaystyle \ C={\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{4^{4}R^{2}}}(\theta ^{o}/180)^{2}\sigma ^{o}}$ vatios

El rendimiento objetivo permanece sin cambios, por lo tanto

${\displaystyle \ {\frac {S}{C}}={\frac {4^{4}R^{2}}{P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}}(180/\theta ^{o})^{2}{\frac {1}{\sigma ^{o}}}{\frac {P_{t}G^{2}\lambda ^{2}}{(4\pi )^{3}R^{4}}}\sigma }$

Lo que simplifica a

${\displaystyle \ {\frac {S}{C}}=5.25\times 10^{4}{\frac {1}{\theta ^{o2}R^{2}}}{\frac {\sigma }{\sigma ^{o}}}}$

Como en el caso del desorden de volumen, la relación entre señal y desorden sigue una ley del cuadrado inverso.

Problemas generales al calcular el desorden superficial.

El problema general significativo es que el coeficiente de retrodispersión generalmente no se puede calcular y debe medirse. El problema es la validez de las mediciones tomadas en un lugar bajo un conjunto de condiciones que se utilizan en un lugar diferente bajo condiciones diferentes. Existen varias fórmulas empíricas y gráficos que permiten realizar una estimación, pero los resultados deben utilizarse con precaución.

Plegado de desorden

El plegamiento del desorden es un término utilizado para describir el "desorden" visto por los sistemas de radar . El plegamiento del desorden se convierte en un problema cuando la extensión del alcance del mismo (visto por el radar) excede el intervalo de frecuencia de repetición de pulsos del radar, y ya no proporciona una supresión adecuada del desorden, y el desorden se "pliega" nuevamente dentro del alcance. ^[6] La solución a este problema suele ser agregar pulsos de relleno a cada permanencia coherente del radar, aumentando el rango en el que el sistema aplica la supresión de parásitos.

La desventaja de hacer esto es que agregar pulsos de llenado degradará el rendimiento, debido al desperdicio de energía del transmisor y a un tiempo de permanencia más prolongado .

Referencias

1. Golbon-Haghighi, MH; Zhang G. (julio de 2019). "Detección de obstáculos terrestres para radar meteorológico de doble polarización mediante una novedosa función discriminante 3D". Revista de Tecnología Atmosférica y Oceánica . 36 (7): 1285-1296. Código Bib : 2019JAtOT..36.1285G. doi : 10.1175/JTECH-D-18-0147.1 .
2. Golbon-Haghighi, MH; Zhang G.; Li Y.; Doviak RJ (junio de 2016). "Detección de obstáculos terrestres a partir de radar meteorológico mediante un método de doble polarización y escaneo dual". Atmósfera . 7 (6): 83. Código Bib : 2016 Atmos... 7... 83G. doi : 10.3390/atmos7060083 .
3. Riddolls, Ryan J (diciembre de 2006). Una perspectiva canadiense sobre el radar sobre el horizonte de alta frecuencia (PDF) (Informe técnico). Ottawa, Ontario, Canadá: Investigación y desarrollo de defensa de Canadá . pag. 38. DRDC OttawaTM 2006-285 . Consultado el 2 de diciembre de 2023 .
4. Elkins, TJ (marzo de 1980). Un modelo para el desorden auroral de radar de alta frecuencia (PDF) (Reporte técnico). Informes Técnicos RADC. vol. 1980. Roma, Nueva York: Centro de Desarrollo Aéreo de Roma . pag. 9. RADC-TR-80-122 . Consultado el 2 de diciembre de 2023 .
5. "Desorden del radar | Seguridad de la aviación de SKYbrary".
6. V. Gregers-Hansen, Supresión de desorden mediante formas de onda ponderadas en amplitud 1997, doi :10.1049/cp:19971786