Analysis and characterization of the SNR losses associated to the time synchronization inacurracy between cooperating radar systems

A bistatic radar configuration shows to have serious advantages over the classical monostatic configuration, but nevertheless it comes with its noteworthy challenges. Mainly, the radar makes use of accurate time measurements to determine the target’s range, and therefore, in bistatic configuration, the two platforms need to be synchronized when working in tandem. The following thesis work aims at investigating the effects of synchronization errors in the context of bistatic and multistatic radars bearing atomic clocks, and to clearly understand their consequence on the Signal to Noise Ratio (SNR). A Matlab tool is developed to simulate a classical air-to-air bistatic radar detection scenario, starting from the real life physical dynamics of electromagnetic waves, and up to the processing chain that follows the reception of the pulses in the airplane’s on board computer. Atomic clocks and quartz oscillators performances are characterized and compared, and from their Power Spectral Density (PSD) synchronization errors between cooperating platforms are derived and added to the model, in order to see their effects on the radar output. Afterwards two bistatic detection are simulated, one with synchronization errors between cooperating clocks and one without, and subsequently the SNR values are compared. Waveform choice plays a minor role in SNR losses, and the radar mode can be much more impact full depending on the observation time of the application. Results obtained with the detection strategy and chosen clocks show that the SNR loss is negligible.

Le configurazioni radar bistatiche presentano seri vantaggi rispetto alle classiche configurazioni monostatiche, ma nascondono alcune importanti complicazzioni. Principalmente, i radar utilizzano precise misurazioni temporali per determinare la distanza dai propri obiettivi, e dunque, in configurazione bistatica, le due piattaforme cooperanti devono essere sincronizzate poichè lavorano assieme. La tesi seguente si propone di analizzare e studiare le perdite del rapporto segnale rumore nel contesto dei radar bistatici e multistatici, quando questi sono equipaggiati con orologi atomici. Un modello MATLAB è stato sviluppato per simulare una classica detezione bistatica fra piattaforme volanti, partendo da una realistica descrizione fisica del comportamento delle onde elettromagnetiche fino all'elaborazione del segnale all'interno del computer di bordo dell'aereo ricevente. Le performance di orologi al quarzo ed orologoi atomici sono caratterizzate e messe a confronto, per poi generare gli errori nel tempo dalla loro densità di potenza spettrale. Questi errori sono poi stati aggiunti al modello per studiarne gli effetti all'interno del radar. Infine due scenari di detezione bistatica sono simulati, uno considerando gli errori di sincronizzazione e l'altro omettendoli, per poi confrontarne il valore del rapporto segnale rumore. La forma d'onda gioca un ruolo minore nella perdita di segnale rumore, mentre il modo radar può essere molto più impattante, il che è dovuto a quanto a lungo il radar deve illuminare il prorpio obbiettivo. Tuttavia, i risultati ottenuti dimostrano che, con gli orologi considerati, il modo radar impiegato e gli errori di sincronizzazione hanno un effetto trascurabile sul rapporto segnale rumore.