array passive isar adaptive processing (apis) · rf-front ends and adcs (receiver channels)...

Jornada de presentación de resultados y demostración

Madrid (España)

20.02.2013

Array Passive ISAR Adaptive Processing

(APIS)

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Agenda

Jornada de presentación de resultados y demostración

Hora Asunto

09:30-09:45 Bienvenida asistentes (SDG TECIN)

09:45-10:00 Breve introducción, presentaciones

10:00-10:15 Presentación y objetivo del proyecto

10:15-10:45 Actividades realizadas y resultados obtenidos

10:45-11:00 Receso

11:00-11:15 Conclusiones. Objetivos de un posible “Follow-on”

11:15-11:30 Presentación sesión de demostración experimental

Sesión demostración

11:30-12:00 Traslado SDG TECIN – Paracuellos del Jarama

12:00-13:30 Demostración

13:30-14:00 Traslado Paracuellos del Jarama - SDG TECIN

Presentación y objetivo del

proyecto

APIS

CRISTINA VIVES – Directora– Indra Sistemas

JAVIER ALVAREZ– Jefe de Proyecto– Indra Sistemas Jornada de presentación de resultados y demostración SDG TECIN

/ SDG TECIN / 20.02.2013

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INDICE

01 Introducción

02 Objetivos del proyecto

03 Organización del proyecto

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DETALLES DEL CONTRATO

INTRODUCCIÓN

Proyecto: Array Passive ISAR adaptive processing (APIS).

Programa: Defence R&T Joint Investment Programme on Innovative

Concepts and Emerging Technologies (JIP-ICET)

Llamada: Data Capture & Exploitation

Autoridad contratante: European Defence Agency (EDA) en nombre de las naciones

contribuyentes al JIP ICET

Contratista: Indra Sistemas S.A.

Duración: 24 meses (July 2.010 – July 2.012)

Presupuesto: 1.871.201,98 €

Financiacion: 1,470,946.68 €

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COMITÉ DEL PROYECTO

EMG Chairman Mr Ignacio Montiel

EMG board

FR- Carole Nahum (DGA)

GE- Roland Krebs (WTD81-320)

IT- Ferdinando Sollo (DGAT – IT MOD)

SP – Fernando Arias (DGAM / SDG TECIN)

INTRODUCCIÓN

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/03/Flag_of_Italy.svg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c3/Flag_of_France.svg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9a/Flag_of_Spain.svg

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/ba/Flag_of_Germany.svg

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MIEMBROS DEL CONSORCIO

INTRODUCCIÓN

Indra Sistemas (SPAIN) (Prime)

Vitrociset SPA (ITALY)

CNIT RaSS (ITALY)

University of Alcalá (SPAIN)

University of Cyprus (CYPRUS)

MTA SZTAKI (HUNGARY)

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INDICE

01 Introducción



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OBJETIVOS GENERALES DEL PROYECTO APIS

Estudio e implementación de una prueba de concepto de un

Radar Pasivo, multicanal, multi-estático, haciendo uso de

señales de oportunidad.

Definición e implementación de una técnica adaptativa de

procesado, desarrollando nuevos algoritmos ISAR (Inverse

Synthetic Aperture Radar) aplicados a la señal filtrada tras

procesado SAP (Space Adaptative Processing). El algoritmo

ISAR se estudiará para el caso mas general de operación en

configuración multi-estática/multicanal

INTRODUCTION

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INTRODUCCIÓN

El objetivo último y más ambicioso del proyecto es la

implementación de un demostrador como prueba de

concepto/viabilidad tecnológica que permita demostrar de manera

empírica los resultados de los diferentes paquetes de trabajo del

proyecto. Estos resultados han de ser debidamente coordinados a

fin de reducir los riesgos de la integración final en el demostrador

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INTRODUCCIÓN

El alcance del demostrador fue aprobado entre todos los

stakeholders del proyecto, el principal objetivo era focalizar la

evaluación de las capacidades ISAR del sistema, y minimizar

riesgos, con el objeto de asegurar los resultados.

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INTRODUCCIÓN

De esta forma se aprobó un escenario para el demostrador y unos

requisitos mínimos para la prueba.

El principal objetivo era el de obtener una imagen ISAR pasiva de un

avión volando a baja cota.

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INTRODUCCIÓN

Tal y como aparece reflejado en el contrato el Demostrador fue

instalado en España, en concreto en Paracuellos del Jarama, y los

blancos elegidos, los aviones de pasajeros aterrizando en el

aeropuerto de Madrid Barajas

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INDICE

01 Introducción



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PAQUETES DE TRABAJO Y SUS INTERRELACIONES

ORGANIZACIÓN DEL PROYECTO

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Tareas realizadas

ORGANIZACIÓN DEL PROYECTO

Análisis de requisitos y diseño del sistema

Análisis y evaluación de diferentes iluminadores de oportunidad

(DVB-T, DAB, FM, UMTS)

Diseño e implementación de algoritmia

Implementación de algoritmia para procesado en array

Algoritmia detección y tracking

Algoritmia procesado ISAR

Diseño e implementación HW

Diseño, simulación e implementación elemento antena y array

Implementación canales RF

Medidas y pruebas unitarias sistema

Integración HW/SW

Campaña pruebas y validación final del sistema en escenario real

Desarrollo de un Roadmap

Actividades realizadas y

resultados obtenidos

Fco. Javier Gaitán – Ingeniería de Sistemas Radar – Indra Event / Place / Date

JAVIER GAITÁN– Responsable Técnico– Indra Sistemas Jornada de presentación de resultados y demostración SDG TECIN

/ SDG TECIN / 20.02.2013

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INDICE

01 Concepto de operación

02 Criterios de diseño

03 Desarrollo e implementación

04 Medidas y pruebas

05 Utilidad y aplicaciones

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INDICE

Concepto de operación





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Fundamentos

Radar Pasivo: Sistema de detección y estimación de posición de

blancos por medio de señales electromagnéticas generadas por uno o

varios emisores independientes posicional y funcionalmente del

receptor o receptores.

Multiestático: Varios emisores y/o receptores;

Multicanal: Varias fuentes de señal de distinta frecuencia;

Array: Antena formada por un conjunto de elementos individuales

dispuestos para permitir sintetizar diagramas de radiación

Concepto de Operación

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Características


Pasivo: No transmisión, sólo recepción.

Mejor mantenibilidad y menores ajustes (sólo calibración RX)

que un radar activo;

Baja probabilidad de interceptación (Sistema LPI);

Necesidad de un transmisor disponible no controlado (Iluminador

de Oportunidad).

Multiestático: Receptor independiente de transmisor.

Posibilidad de trabajar con diferentes transmisores (redundancia,

disponibilidad...);

Cobertura no homogénea, dependiente de la posición relativa

TX-RX Posibilidad de ajustar la cobertura a la región de

interés en función de:

Iluminador de Oportunidad elegido;

Posición del receptor.

Necesidad de adquirir la señal del transmisor para detectar y

localizar los blancos.

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Características


Multicanal: Varias fuentes de señal de distinta frecuencia.

Diversidad de frecuencia: Robustez frente a condiciones de

propagación adversas o interferencias;

Adaptación de la resolución del sistema a las características del

blanco;

Filtros adaptables Receptor Digital Muestreo RF A/D de

altas prestaciones.

Array: Diagrama de radiación configurable.

Supresión de interferencias por filtrado espacial (DPI/SAP);

Selección del Iluminador de Oportunidad (Electronic Steering);

Digital Beamforming;

Exploración integral de la zona de cobertura;

Antena compartida para señal de referencia y señal de blanco;

Margen dinámico.

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Geometría


Illuminator of Opportunity (IO)

• Reference signal acquisition

• Correlation-based detection

Passive Radar Reference channel

Surveillance

channel

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INDEX


Criterios de diseño




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Especificaciones

Criterios de Diseño

REQUISITOS DE

PRESTACIONES

REQUISITOS DE DISEÑO

REQUISITOS

GENERALES

AREA OF

INTEREST & IoO

(Azimuth sector,

Dynamic Range)

TARGET

DETECTABILITY

(Pd, Pfa)

ISAR IMAGING

PERFORMANCE

(Range & Cross-

Range Resolutions)

ANTENNA ARRAY RECEIVER DIGITAL ARRAY

PROCESSING

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Requisitos Generales


“Primer nivel de requisitos que especifican las reglas generales a seguir durante el diseño y desarrollo del sistema”.

Sistema Abierto: Utilización de herramientas de desarrollo estándar

(Matlab, C, VxWorks, open-source software,…), formatos de datos e

interfaces;

Fácil de adaptar a nuevos entornos/requisitos;

Interconexión e integración en redes multisensores complejas.

Sistema Modular: Arquitectura basada en un conjunto de unidades

idénticas o funcionalmente equivalentes;

Fácil de mantener y reparar

Menos repuestos;

Menor efecto de los fallos sobre las prestaciones globales (ante el fallo

de un módulo el sistema no queda inoperativo, sino que continúa

funcionando con una ligera degradación de las prestaciones:

arquitectura “soft-fail”).

Capacidad de crecimiento inherente

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Requisitos de Prestaciones


“Segundo nivel de requisitos definidos por el propósito del sistema y sus principios de funcionamiento”.

Detectabilidad de blancos. Como en cualquier sistema radar, en un radar pasivo el factor de detectabilidad es el parámetro que define la sensibilidad del sistema y mide su calidad como sistema de detección de blancos. La detectabilidad viene determinada por:

Probabilidad de Detección

Probabilidad de Falsa Alarma

Calidad de Imágenes ISAR. El objetivo del radar APIS es la generación de imágenes ISAR de los blancos detectados, para su identificación y clasificación. La calidad de la imagen ISAR viene determinada por:

Resolución biestática en distancia radial

Resolución biestática en distancia transversal

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Requisitos de Diseño


“Tercer nivel de requisitos que definen características particulares y parámetros específicos de los dispositivos y procesos componentes del sistema”.

La consecución de unos determinados Requisitos de Prestaciones, impone unos límites concretos a los parámetros que describen las características de los diferentes subsistemas del APIS (Antena, Receptor y Procesado Digital):

Máxima figura de ruido del receptor;

Mínimo ancho de banda instantáneo del receptor;

ADC ENOB;

Mínimo tiempo de integración;

Mínimo tiempo de observación;

Mínimo ancho acimutal del lóbulo principal del diagrama;

Mínimo sector de direcciones de apuntamiento del diagrama;

...

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INDICE



Desarrollo e implementación



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Definición de los elementos del sistema APIS


Atendiendo a la naturaleza de las señales manejadas, se pueden identificar dos grandes bloques en el sistema APIS:

Bloque Analógico

Antena: Captación de la señales del IO y de los blancos en el área de interés, permitiendo el rechazo de las señales interferentes (directas y multitrayecto).

Receptor: Acondicionamiento de las señales recibidas mediante filtrado y amplificación para conseguir la sensibilidad necesaria.

Bloque Digital

Calibración.

Procesado coherente de las señales de referencia y de los blancos.

Proceso de detección de blancos.

Función de seguimiento de blancos.

Síntesis de imágenes ISAR.

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SAP v.s Beamforming (datos reales)

En escenarios dominados por el clutter y las interferencias, la

arquitectura DAP1 con SAP presenta mejores resultados.

En escenarios dominados por el ruido, DAP2 puede ser suficiente, con

la ventaja de un menor coste computacional

AIRBUS 321 AIRBUS 320

Coches

SNIRDAP1 >> SNIRDAP2

Coste ComputacionalDAP1 >> Coste ComputacionalDAP2

Avión

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Proyecto APIS: Fabricación y prueba de un demostrador del sistema


El Demostrador es una implementación real del sistema APIS.

El propósito del Demostrador consiste en mostrar mediante pruebas sobre

un sistema real de presupuesto reducido, la viabilidad de obtener

imágenes ISAR con un radar pasivo.

Características del Demostrador:

Iluminador de Oportunidad: Emisor DVB-T, señal multicanal (múltiplex de 3 canales).

Area de interés: Operaciones de aterrizaje y despegue en el aeropuerto de Barajas.

Geometría: Bi-estático (1 TX - 1 RX).

Antena: Array lineal de dipolos planos.

Receptor: COTS Software-Based Radio boards (USRPN210 de Ettus Research).

Procesador: PC industrial, módulos software en C y Matlab, con ejecución off-line.

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Antena: array lineal de dipolos planos (patch radiating elements)

Planar

dipoles

Feeding plates

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Antena: medidas en cámara anecoíca (UAH)

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Rack de receptores, sistema de sincronismo y procesador de señal

Acquisition, calibration

and digital signal processor

RF-Front Ends and ADCs

(Receiver channels)

Synchronization signals

generator

Power switches pannel

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The antenna for the reference

channels is a Yagi Antenna.

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INDEX




Medidas y pruebas


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Fase de medidas de campo: evaluación del sistema en emplazamiento

Medidas y Pruebas

Landing airplane

Surveillance

channel

antenna Reference

channel

antenna

Surveillance&Reference signal receivers

+

Data Acquisition&Storage system

Madrid-Barajas International

Airport Runways

Taking-off

Direction

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Escenario de medidas de campo

Medidas y Pruebas

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Caso de prueba: Detección de un Airbus 320

Medidas y Pruebas

Parámetros de exploración: Frequency: 850 MHz

Bandwidth: 24MHz (3DVB-T channels)

Monostatic range resolution: 6.25 m

Observation time: 20 s

Datos del blanco (ADSB): Date: 08/02/2012

Time: 13:35

Altitude: 3000 feet

Range: 4NM

Mode S code: 341619

Type: Airbus 320

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Medidas y Pruebas

Posiciones del blanco en diferentes exploraciones:

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Medidas y Pruebas

PRI=0 PRI=20 PRI=33 PRI=39

Range (m) 6,000 5,200 4,741 4,516

Doppler(Hz) 256 248 233 231

Velocity (km/h) 233.53 237.08 229.25 231.94

Altitude (feet) 2,500 2,250 2,150 2,150

Evolución de los parámetros del blanco a lo largo de las exploraciones:

0 10 20 30 404000

5000

6000

7000

Ra

ng

e (

m)

0 10 20 30 40230

240

250

260

PRI

Do

pp

ler

(Hz)

0 10 20 30 404000

5000

6000

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Ra

ng

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m)

0 10 20 30 40230

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Do

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(Hz)

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Medidas y Pruebas

Secuencia de mapas Distancia-Doppler

(Entrada del Detector)

Secuencia de mapas Distancia-Doppler

(Salida del Detector)

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Fase final de medidas

Medidas y Pruebas

Análisis del sistema completo en el emplazamiento definitivo

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Fase final de medidas

Medidas y Pruebas

Escenario de pruebas

Espectro angular en acimut

estimado mediante el algoritmo

MUSIC

IO p

rin

cip

al

Bla

nco

IO s

ecu

nd

ari

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Ló

bu

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Po

ste

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r

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Procesado ISAR: Autoenfoque

Medidas y Pruebas

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(a) merged range profile before radial

motion compensation(b) merged range profile after radial motion

compensation

(c) target image without radial motion

compensation

(d) ISAR image using range profile with

radial motion compensation

Airbus A321: Longitud 44m, Envergadura 34m

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Procesado ISAR: Autoenfoque

Medidas y Pruebas

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Escalado en distancia transversal: Estimación de la envergadura del

blanco.

Realizado a partir de:

Estimación de la modulación de frecuencia de los dispersores principales

del blanco

Estimación del coeficiente angular de la línea de regresión (Least Square

Estimation)

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Resultados experimentales en un escenario real

Medidas y Pruebas

Comparación de las imágenes ISAR de diferentes modelos de blanco

Airbus A321

Longitud 44m,

Envergadura 34m

Airbus A340 family

Longitud 63-75m,

Envergadura 60-63m

Airbus A320

Longitud 37m,

Envergadura 34m

La clasificación de los blancos a partir

de las imágenes ISAR es posible

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INDEX





Utilidad y aplicaciones

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El Radar Pasivo en aplicaciones de Seguridad y Defensa


• APLICACIONES TERRESTRES:

a. Vigilancia perimetral de infraestructuras estratégicas (edificios

gubernamentales, refinerías, centrales nucleares, etc.)

b. Control de accesos no autorizados en áreas restringidas abiertas.

Zonas de difícil cobertura.

c. Control de fronteras

Zonas de difícil cobertura;

Complemento de radares activos con posibilidad de clasificación de

blancos mediante ISAR

d. Radar LPI en entornos militares para clasificación de blancos basada en

imágenes;

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• APLICACIONES MARITIMAS:

a. Supervisión del tráfico portuario (mediante señales UMTS o LTE)

Solución eficiente frente a radares activos (contaminacion

electromagnética);

Posibilidad de clasificación de blancos mediante ISAR para

identificación de situaciones de riesgo:

Control de embarcaciones de diferente eslora y tonelaje en

vías de navegación compartidas;

Vigilancia de mercancías peligrosas, contaminantes, etc., en

aproximación o tránsito.

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• APLICACIONES MARITIMAS (Continuación):

b. Vigilancia Costera en zonas de orografía compleja (Cabos, Rías,

Islotes, etc.)

Zonas de difícil cobertura;

Complemento de radares activos con posibilidad de clasificación

de blancos mediante ISAR. (clasificación en función de tamaño y

forma)

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• APLICACIONES AEREAS:

a. Apoyo a control de Tráfico Aéreo:

Complemento de radares activos en zonas de difícil cobertura

(valles, coberturas a baja cota)

GAP FILLER

b. Aplicación en plataformas embarcadas (helicópteros y UAV por su

reducido peso y versatilidad de posición,):

Zona de cobertura adaptativa en función de IO y trayectoria de la

plataforma.

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• OTRAS

a. Pronóstico meteorológico local;

b. Control de velocidad de vehículos en zonas de alta densidad de

tráfico;

c. Protección de Estaciones de Seguimiento de Misiones Espaciales.

d. …

Conclusiones. Objetivos de un

posible “Follow-on”

APIS

JAVIER ALVAREZ– Jefe de Proyecto– Indra Sistemas Jornada de presentación de resultados y demostración SDG TECIN

/ SDG TECIN / 20.02.2013

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INDICE

01 Conclusiones

02 Puntos abiertos

03 El follow-on

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CONCLUSIONES

El APIS ha demostrado claramente que en un radar

pasivo es viable:

La detección y seguimiento de blancos terrestres y

aéreos en un entorno urbano

Las técnicas de procesado ISAR

Aplicaciones en el campo de la defensa

potencialmente prometedoras.

CONCLUSIONES

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INDICE

01 Conclusiones

02 Puntos abiertos

03 El follow-on

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PUNTOS ABIERTOS Resumen

CONCLUSIONES

1. Aplicaciones en ambientes militares

2. Capacidades de detección y seguimiento

3. Reconocimiento de blancos e imagen radar

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PUNTOS ABIERTOS Aplicaciones en ambientes militares

CONCLUSIONES

Identificación y uso de diferentes tipos de

iluminadores, incluyendo iluminadores satelitales y

comunicaciones militares.

Capacidad de predecir y estimar rendimiento radar

para un escenario dado.

Capacidad auto-adaptativa a varios escenarios.

Implementación de algoritmia en tiempo real.

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PUNTOS ABIERTOS Capacidades de detección y seguimiento

CONCLUSIONES

Beamforming digital (estadístico, SAP & STAP)

para tracking angular y creación de múltiples

pínceles para otros tantos iluminadores de

oportunidad.

Mejora en algoritmia de rechazo de clutter e

interferencias.

Mejora en algoritmia de tracking (incluyendo

tracking en 3D).

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PUNTOS ABIERTOS Reconocimiento de blancos e imagen radar

CONCLUSIONES

Mejora de resolución en rango (incremento del

ancho de banda).

Mejora en resolución transversal (mayor variación

del ángulo de aspecto).

Algoritmia de selección de imágenes basada en

reconocimiento de patrones y capacidades de

clasificación/identificación.

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INDICE

01 Conclusiones

02 Puntos abiertos

03 El follow-on

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OBJETIVOS DEL FOLLOW-ON

EL FOLLOW-ON

Estudio y análisis del un nuevo concepto

de radar pasivo multicanal con de

capacidades ISAR que permitan no solo la

detección sino también la clasificación e

identificación.

Duración 36 meses

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OBJETIVOS DEL FOLLOW-ON El sistema debería..

EL FOLLOW-ON

① Hacer uso extensivo de señales presentes en

ambientes militares.

② Características adaptativas:

① Selección automática del iluminador de

oportunidad

② Adaptar la cadena de proceso y ajustarla al

rendimiento requerido en función de la misión

③ Implementar capacidades ISAR para

reconocimiento de blancos.

Arr

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rocessin

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66

ACTIVIDADES DEL FOLLOW-ON

EL FOLLOW-ON

1. Análisis del los potenciales iluminadores de oportunidad disponibles

en ambientes militares, haciendo especial hincapié en los satelitales

(DVB-S, DVB-S2 o DVB-SH).

2. Desarrollo de algoritmos para selección automática del iluminador de

oportunidad optimo de cara a maximizar las capacidades de

detección o ISAR del sistema en función de la misión del sistema.

3. Desarrollo de algoritmia para mejora de capacidades de tracking en

3D.

4. Planificación y ejecución de campañas dedicadas a la evaluación y

depuración del sistema.

Arr

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67

CONSORCIO

EL FOLLOW-ON

España – Indra Sistemas (INDRA)

España – Universidad de Alcalà (UAH)

Italia – CNIT- RaSS (CNIT-RaSS)

Italia– Selex Electronic System (SES)

Italia – Vitrociset (VITRO)

Alemania – Fraunhofer FHR Institute (FHR)

Polonia - Warsaw University of Technology

(WUT)

Chipre – Univ. de Chipre (UCY)

Presentación sesión de

demostración experimental

APIS

Jornada de presentación de resultados y demostración SDG TECIN

/ SDG TECIN / 20.02.2013

Arr

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69

INDICE

01 Logística

02 Elementos del sistema

03 Demostración. Objetivos y resultados esperados

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70

LOGÍSTICA

LOGISTICA

11:30-12:00 Traslado autobús SDG TECIN – Paracuellos del Jarama

12:00-13:30 Demostración

13:30-14:00 Traslado autobús Paracuellos del Jarama - SDG TECIN

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LOGÍSTICA

LOGISTICA

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INDICE

01 Logística



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ELEMENTOS DEL SISTEMA Antenas y equipos externos

ELEMENTOS DEL SISTEMA

Antena ADSB

Antena canal de referencia

Antena GPS

Red de calibración

Array recepción

canal vigilancia

Cableado interconexión

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ESCENARIO


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ELEMENTOS DEL SISTEMA Shelter equipos


Receptor ADSB Consola procesador

de apoyo

Consola procesador

principal

Rack apoyo

Rack principal

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INDICE

01 Logística



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77

OBJETIVOS

DEMOSTRACIÓN. OBJETIVOS Y RESULTADOS ESPERADOS

La sesión mostrará las capacidades del sistema para

la adquisición, y ejecución de la cadena de proceso,

necesarios para:

La generación de pinceles en la dirección de llegada de los

blancos de oportunidad (aviones aterrizando)

Generación de nulos en la dirección del iluminador

(Torrespaña)

Procesado de mapas Rango-Doppler para sucesivas PRIs

Procesado necesario para la obtención de una imagen ISAR

Arr

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RESULTADOS ESPERADOS Mapa rango doppler, histórico salida detector y salida algoritmo

estimador dirección IoO


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RESULTADOS ESPERADOS Salida procesado ISAR


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80

Array Passive ISAR Adaptive Processing Project

array passive isar adaptive processing (apis) · rf-front ends and adcs (receiver channels)...

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