Diseño de algoritmos de guerra electrónica y radar para su implementación en sistemas de tiempo

261 Pages·2015·13.6 MB·Spanish

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UNIVERSIDAD POLITECNICA DE MADRID
Escuela T´ecnica Superior de Ingenieros de Telecomunicacio´n
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DISENO DE ALGORITMOS DE GUERRA ELECTRONICA
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Y RADAR PARA SU IMPLEMENTACION EN SISTEMAS
DE TIEMPO REAL
TESIS DOCTORAL
V´ıctor Iglesias Mun˜oz
Ingeniero de Telecomunicaci´on
2015

DEPARTAMENTO DE SISTEMAS, SEN˜ALES Y RADIOCOMUNICACIONES
Escuela T´ecnica Superior de Ingenieros de Telecomunicacio´n
Universidad Polit´ecnica de Madrid
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DISENO DE ALGORITMOS DE GUERRA ELECTRONICA
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Y RADAR PARA SU IMPLEMENTACION EN SISTEMAS
DE TIEMPO REAL
TESIS DOCTORAL
Autor:
V´ıctor Iglesias Mun˜oz
Ingeniero de Telecomunicaci´on
Director:
Jesu´s Grajal de la Fuente
Profesor Titular del Dpto. de Sen˜ales, Sistemas y Radiocomunicaciones
Universidad Polit´ecnica de Madrid
2015

TESIS DOCTORAL
DISEN˜O DE ALGORITMOS DE GUERRA ELECTRO´NICA Y RADAR
PARA SU IMPLEMENTACIO´N EN SISTEMAS DE TIEMPO REAL
AUTOR: V´ıctor Iglesias Mun˜oz
DIRECTOR: Jesu´s Grajal de la Fuente
El tribunal nombrado por el Mgfco. y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Polit´ecnica de
Madrid, el d´ıa de de 2015.
PRESIDENTE: Francisco Javier Casaju´s Quir´os
SECRETARIO: Santiago Zazo Bello
VOCAL: Pedro Reviriego Vasallo
VOCAL: Gustavo L´opez Risuen˜o
VOCAL: Jaime Jim´enez Verde
SUPLENTE: Pedro Echeverr´ıaAramendi
SUPLENTE: Miguel A´ngel S´anchez Marcos
Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el d´ıa de de 2015,en
Madrid.
Calificaci´on:
EL PRESIDENTE LOS VOCALES
EL VOCAL SECRETARIO

Acknowledgement
Megustar´ıadarlasgraciasenesteapartadoatodoslosquehanhechoposiblelarealizacio´n
de esta Tesis Doctoral.
Primero, a mi Director de Tesis, Jesu´s, por permitirme participar en sus proyectos de
investigaci´on, por su apoyo moral y financiero. Por acogerme en su despacho, por sus te lo
dije y el cemento entre p´arrafos.
Luego, a mis amigos y compan˜eros del Grupo de Microondas y Radar. En concreto, a
Omar, mentor y tutor de mi PFC. A Gorka y Mario, con los que tambi´en he trabajado. A
Carlos, Alejandro, Luis, Diego, Pablo, Rodrigo y Paquito. A Jordi, de la escisi´on de arete.
Tambi´en,aMarisayalosamigosycompan˜erosdelDepartamentodeIngenier´ıaElectro´ni-
ca que, bajo su direcci´on, son responsables de la implementaci´on de los algoritmos presen-
tados: Miguel A´ngel, Pablo y Fernando. Son una parte fundamental de esta Tesis.
Y,poru´ltimo,alosproyectosyprogramasquehanfinanciadolaTesis. AIndraSistemas
S.A., a las becas homologadasy cofinanciadas de la UniversidadPolit´ecnicade Madrid, y a
los proyectos de la Comisi´on Interministerial de Ciencia Y Tecnolog´ıa (CYCIT) TEC2008-
02148 y TEC2011-28683-C02-01.
i
ii
Resumen
Estatesis se centraen elestudio y desarrollode algoritmosde guerraelectr´onica(electronic
warfare, EW) y radar para su implementaci´on en sistemas de tiempo real. La llegada de
lossistemas de radio,radary navegaci´onalterrenomilitar llev´oal desarrollode tecnolog´ıas
para combatirlos. As´ı, el objetivo de los sistemas de guerra electr´onica es el control del
espectro electomagn´etico. Una de la funciones de la guerra electr´onica es la inteligencia de
sen˜ales(signals intelligence, SIGINT), cuyalaboresdetectar,almacenar,analizar,clasificar
y localizarla procedencia de todo tipo de sen˜alespresentes enel espectro. Elsubsistema de
inteligencia de sen˜ales dedicado a las sen˜ales radar es la inteligencia electr´onica (electronic
intelligence, ELINT).
Un sistema de tiempo real es aquel cuyo factor de m´erito depende tanto del resultado
proporcionadocomodeltiempoenquesedadichoresultado. Lossistemasradarydeguerra
electr´onica tienen que proporcionarinformaci´onlo m´as r´apido posible y de forma continua,
por lo que pueden encuadrarse dentro de los sistemas de tiempo real. La introduccio´n
de restricciones de tiempo real implica un proceso de realimentaci´on entre el disen˜o del
algoritmoysuimplementaci´onenplataformas“hardware”. Lasrestriccionesdetiempo real
sondos: latenciay´areadelaimplementaci´on. Enestatesis,todoslosalgoritmospresentados
sehanimplementadoenplataformasdeltipofield programmable gatearray (FPGA),yaque
presentan un buen compromiso entre velocidad, coste total, consumo y reconfigurabilidad.
La primera parte de la tesis est´a centrada en el estudio de diferentes subsistemas de
un equipo ELINT: detecci´on de sen˜ales mediante un detector canalizado, extracci´on de los
par´ametros de pulsos radar, clasificaci´on de modulaciones y localizaci´on pasiva.
La transformadadiscreta de Fourier (discrete Fourier transform, DFT) es un detector y
estimador de frecuencia quasi-´optimo para sen˜ales de banda estrecha en presencia de ruido
blanco. El desarrollo de algoritmos eficientes para el c´alculo de la DFT, conocidos como
fast Fourier transform (FFT), han situado a la FFT como el algoritmo m´as utilizado para
la detecci´onde sen˜ales de banda estrecha conrequisitos de tiempo real. As´ı,se ha disen˜ado
e implementado un algoritmo de detecci´on y an´alisis espectral para su implementaci´on en
tiempo real.
Lospar´ametrosm´ascaracter´ısticosdeunpulsoradarsonsutiempodellegadayanchura
de pulso. Se ha disen˜ado e implementado un algoritmocapazde extraerdichos par´ametros.
Este algoritmo se puede utilizar con varios prop´ositos: realizar un reconocimiento gen´erico
del radar que transmite dicha sen˜al, localizar la posici´on de dicho radar o bien puede uti-
lizarse como la parte de preprocesado de un clasificador autom´atico de modulaciones.
Laclasificaci´onautom´aticademodulacionesesextremadamentecomplicadaenentornos
no cooperativos. Un clasificador autom´atico de modulaciones se divide en dos partes:
preprocesado y el algoritmo de clasificaci´on. Los algoritmos de clasificaci´on basados en
par´ametros representativoscalculan diferentes estad´ısticos de la sen˜al de entrada y la clasi-
fican procesando dichos estad´ısticos.
Los algoritmos de localizaci´on pueden dividirse en dos tipos: triangulaci´on y sistemas
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cuadr´aticos. En los algoritmos basados en triangulaci´on, la posici´on se estima mediante la
intersecci´onde lasrectasproporcionadasporla direcci´onde llegadade la sen˜al. Encambio,
en los sistemas cuadr´aticos, la posici´on se estima mediante la intersecci´on de superficies
con igual diferencia en el tiempo de llegada (time difference of arrival, TDOA) o diferencia
en la frecuencia de llegada (frequency difference of arrival, FDOA). Aunque s´olo se ha
implementadolaestimaci´ondelTDOAyFDOAmedianteladiferenciadetiemposdellegada
ydiferenciade frecuencias,sepresentanestudiosexhaustivossobrelosdiferentes algoritmos
para la estimaci´on del TDOA, FDOA y localizaci´on pasiva mediante TDOA-FDOA.
La segunda parte de la tesis est´a dedicada al disen˜o e implementaci´on filtros discretos
de respuesta finita (finite impulse response, FIR) para dos aplicaciones radar: phased ar-
ray de banda ancha mediante filtros retardadores (true-time delay, TTD) y la mejora del
alcance de un radar sin modificar el “hardware” existente para que la soluci´on sea de bajo
coste. Laoperaci´ondeunphased array debandaanchamediantedesfasadoresnoesfactible
ya que el retardo temporal no puede aproximarse mediante un desfase. La soluci´on adop-
tada e implementada consiste en sustituir los desfasadores por filtros digitales con retardo
programable.
El m´aximo alcance de un radar depende de la relaci´on sen˜al a ruido promedio en el
receptor. La relaci´on sen˜al a ruido depende a su vez de la energ´ıa de sen˜al transmitida,
potencia multiplicado por la anchura de pulso. Cualquier cambio hardware que se realice
conlleva un alto coste. La soluci´on que se propone es utilizar una t´ecnica de compresi´on de
pulsos, consistente en introducir una modulaci´on interna a la sen˜al, desacoplandoalcance y
resoluci´on.
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