Przetwarzanie sygnału impulsowo-dopplerowskiego

Przetwarzanie sygnału impulsowo-dopplerowskiego to strategia poprawy wydajności radaru i CEUS , która umożliwia wykrywanie małych, szybkich obiektów w bliskiej odległości od dużych, wolno poruszających się obiektów. Powszechnie występują ulepszenia w wykrywaniu rzędu 1 000 000:1. Małe, szybko poruszające się obiekty można identyfikować blisko terenu, powierzchni morza i wewnątrz burz.

Ta strategia przetwarzania sygnału jest stosowana w radarach impulsowo-dopplerowskich i radarach wielomodowych, które można następnie wskazać na obszary zawierające dużą liczbę wolno poruszających się reflektorów bez obciążania oprogramowania komputerowego i operatorów. Inne strategie przetwarzania sygnału, takie jak wskazanie ruchomego celu , są bardziej odpowiednie w łagodnych warunkach czystego, błękitnego nieba.

Służy również do pomiaru przepływu krwi w ultrasonografii dopplerowskiej .

Środowisko

Przetwarzanie sygnału impulsowo-dopplerowskiego rozpoczyna się od próbek pobranych pomiędzy wieloma impulsami transmisyjnymi. Pokazano przykładową strategię rozszerzoną dla jednego impulsu nadawczego.

Pulse-Doppler rozpoczyna się od spójnych impulsów przesyłanych przez antenę lub przetwornik.

Nie ma modulacji impulsu nadawczego. Każdy impuls to idealnie czysty kawałek doskonale spójnego tonu. Spójny dźwięk jest wytwarzany przez lokalny oscylator.

Pomiędzy anteną a reflektorem mogą występować dziesiątki impulsów transmisyjnych. We wrogim środowisku mogą wystąpić miliony innych odbić od wolno poruszających się lub nieruchomych obiektów.

Impulsy nadawcze są wysyłane z częstotliwością powtarzania impulsów .

Energia z impulsów transmisyjnych rozprzestrzenia się w przestrzeni, dopóki nie zostanie zakłócona przez reflektory. Zakłócenie to powoduje, że część transmitowanej energii jest odbijana z powrotem do anteny radaru lub przetwornika, wraz z modulacją fazy spowodowaną ruchem. Ten sam ton, który jest używany do generowania impulsów nadawczych, jest również używany do konwersji w dół odebranych sygnałów na pasmo podstawowe .

Próbkowana jest energia odbita, która została przekonwertowana na pasmo podstawowe.

Próbkowanie rozpoczyna się po wygaśnięciu każdego impulsu nadawczego. Jest to faza spoczynku nadajnika.

Faza spoczynku jest podzielona na równomiernie rozmieszczone odstępy między próbkami. Próbki są zbierane do momentu, gdy radar zacznie wysyłać kolejny impuls nadawczy.

Szerokość impulsu każdej próbki odpowiada szerokości impulsu nadawczego.

Należy pobrać wystarczającą liczbę próbek, aby stanowiły one sygnał wejściowy dla impulsowego filtra Dopplera.

Próbowanie

Przetwarzanie sygnału impulsowo-dopplerowskiego rozpoczyna się od próbek I i Q.

Lokalny oscylator jest dzielony na dwa sygnały przesunięte o 90 stopni i każdy z nich jest mieszany z odbieranym sygnałem. To mieszanie wytwarza I (t) i Q (t). Spójność fazowa sygnału nadawczego ma kluczowe znaczenie dla działania impulsowego Dopplera. Na diagramie góra pokazuje fazy czoła fali w I/Q.

Każdy z dysków pokazanych na tym schemacie reprezentuje pojedynczą próbkę pobraną z wielu impulsów nadawczych, tj. tę samą próbkę przesuniętą o okres nadawania (1/PRF). Jest to zakres niejednoznaczny. Każda próbka byłaby podobna, ale opóźniona o jedną lub więcej szerokości impulsu w stosunku do pokazanych. Sygnały w każdej próbce składają się z sygnałów pochodzących z odbić w wielu zakresach.

Diagram przedstawia spiralę w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, co odpowiada ruchowi dochodzącemu. To jest up-Doppler. Doppler w dół utworzyłby spiralę zgodną z ruchem wskazówek zegara.

Okienkowanie

Proces próbkowania cyfrowego powoduje dzwonienie filtrów, które służą do usuwania sygnałów odbitych od wolno poruszających się obiektów. Próbkowanie powoduje, że listki boczne częstotliwości są wytwarzane w sąsiedztwie prawdziwego sygnału dla sygnału wejściowego, który jest czystym tonem. Okienkowanie eliminuje listki boczne wywołane procesem próbkowania.

Okno to liczba próbek używanych jako wejście do filtra.

Proces okna pobiera szereg stałych zespolonych i mnoży każdą próbkę przez odpowiadającą jej stałą okna, zanim próbka zostanie nałożona na filtr.

• Szczegółowe wyjaśnienie okienkowania

Okienkowanie Dolpha – Czebyczewa zapewnia optymalne tłumienie listków bocznych przetwarzania.

Filtracja

Przetwarzanie sygnału impulsowo-dopplerowskiego. Oś zakresu próbki reprezentuje indywidualne próbki pobrane pomiędzy każdym impulsem nadawczym. Oś interwału impulsów reprezentuje każdy kolejny interwał impulsu nadawczego, podczas którego pobierane są próbki. Szybki proces transformacji Fouriera przekształca próbki w dziedzinie czasu na widma w dziedzinie częstotliwości. Nazywa się to czasem łożem gwoździ .

Przetwarzanie sygnału impulsowo-dopplerowskiego rozdziela odbite sygnały na szereg filtrów częstotliwości. Dla każdego zakresu niejednoznacznego istnieje oddzielny zestaw filtrów. próbki I i Q służą do rozpoczęcia procesu filtrowania.

Próbki te są zorganizowane w macierz m × n próbek w dziedzinie czasu pokazaną w górnej połowie diagramu.

Próbki w dziedzinie czasu są konwertowane na dziedzinę częstotliwości za pomocą filtra cyfrowego. Zwykle wiąże się to z szybką transformatą Fouriera (FFT). Listki boczne powstają podczas przetwarzania sygnału i w celu ograniczenia fałszywych alarmów wymagana jest strategia tłumienia listków bocznych, taka jak funkcja okna Dolpha-Czebyszewa .

Wszystkie próbki pobrane z okresu próbkowania Próbki 1 stanowią wejście do pierwszego zestawu filtrów. Jest to pierwszy niejednoznaczny przedział zakresu.

Wszystkie próbki pobrane z okresu próbkowania Próbki 2 stanowią wejście do drugiego zestawu filtrów. Jest to drugi niejednoznaczny przedział zakresu.

Trwa to do momentu, aż próbki pobrane z okresu próbkowania Próbka N staną się wejściem do ostatniego zestawu filtrów. Jest to najdalszy niejednoznaczny przedział zakresu.

W rezultacie każdy niejednoznaczny zakres będzie generował oddzielne widmo odpowiadające wszystkim częstotliwościom Dopplera w tym zakresie.

Filtr cyfrowy wytwarza tyle częstotliwości wyjściowych, ile jest impulsów transmisyjnych użytych do próbkowania. Wytworzenie jednego FFT z 1024 wyjściami częstotliwościowymi wymaga 1024 impulsów transmisyjnych na wejściu.

Wykrycie

Przetwarzanie detekcji dla impulsowego Dopplera daje niejednoznaczny zakres i niejednoznaczną prędkość odpowiadającą jednemu z wyjść FFT z jednej z próbek zakresu. Odbicia wpadają w filtry odpowiadające różnym częstotliwościom, które oddzielają zjawiska pogodowe, teren i samoloty od różnych stref prędkości w każdym zakresie.

Aby sygnał mógł zostać uznany za wykrycie, wymagane jest spełnienie wielu jednocześnie kryteriów.

Stały fałszywy alarm. Wykrywanie częstości przeprowadzane na wyjściu FFT.

Przetwarzanie ze stałą częstotliwością fałszywych alarmów służy do sprawdzania każdego wyjścia FFT w celu wykrycia sygnałów. Jest to proces adaptacyjny, który automatycznie dostosowuje się do hałasu otoczenia i wpływów środowiska. Testowana jest komórka , w której sąsiednie komórki są dodawane, mnożone przez stałą i wykorzystywane do ustalenia progu.

${\ displaystyle {\ tekst {kryterium progowe}} \ lewo \ {{\ początek {wyrównane} \ operatorname {komórka} (n)> {} i [\ operatorname {komórka} (n-2) \\& {} +\mathrm {Komórka} (n-1)\\&{}+\mathrm {Komórka} (n+1)\\&{}+\mathrm {Komórka} (n+2)]\\&{}\ razy {\text{stała}}\end{aligned}}\right.}$

Obszar otaczający detekcję jest badany w celu określenia, kiedy znak nachylenia zmienia się z $,$ czyli $)$ detekcji (lokalnego maksimum Detekcje dla pojedynczego niejednoznacznego zakresu są sortowane w kolejności malejącej amplitudy.

${\ Displaystyle {\ tekst {kryterium szczytowe}} {\ początek {przypadki} \ lewo ({\ Frac {\ Delta {\ tekst {Amplituda}}}}} mathrm {Komórka} (n-1)<0\\[6pt]\left({\frac {\Delta {\text{Amplituda}}}{\Delta {\text{Częstotliwość}}}}\right)\mathrm {Komórka} (n+1)>0\end{cases}}}$

Wykrywanie obejmuje tylko prędkości przekraczające ustawienie odrzucenia prędkości. Na przykład, jeśli odrzucanie prędkości jest ustawione na 75 mil/h, grad poruszający się z prędkością 50 mil/h w burzy nie zostanie wykryty, ale wykryty zostanie samolot poruszający się z prędkością 160 mil/h.

${\ displaystyle {\ tekst {kryterium prędkości}}}} }{2\times {\text{Częstotliwość transmisji}}}}\right)>{\text{Odrzucenie}}\end{cases}}}$

W przypadku radaru jednoimpulsowego przetwarzanie sygnału jest identyczne dla kanałów wygaszania listka głównego i listka bocznego . Pozwala to określić, czy lokalizacja obiektu znajduje się w głównym płacie , czy też jest przesunięta powyżej, poniżej, w lewo lub w prawo od wiązki anteny .

$\ displaystyle {\ tekst {kryterium głównego płata}} {\ początek {przypadki} \ operatorname {główne \ Płatek>Stała\czasy Bok\ Płatek} \end{cases}}}$

Sygnały spełniające wszystkie te kryteria są wykryciami. Są one sortowane według malejącej amplitudy (od największej do najmniejszej).

Posortowane detekcje są przetwarzane za pomocą algorytmu rozwiązywania niejednoznaczności zakresu w celu zidentyfikowania prawdziwego zasięgu i prędkości odbicia celu.

Rozwiązanie niejednoznaczności

Strefy niejednoznaczności impulsowo-dopplerowskiej. Każda niebieska strefa bez etykiety reprezentuje kombinację prędkości/zakresu, która zostanie złożona w jednoznaczną strefę. Obszary poza niebieskimi strefami to martwe zakresy i ślepe prędkości, które są wypełniane przy użyciu wielu współczynników PRF i częstotliwości.

Pulsacyjny radar dopplerowski może mieć 50 lub więcej impulsów między radarem a reflektorem.

Pulsacyjny Doppler opiera się na średniej częstotliwości powtarzania impulsów (PRF) od około 3 kHz do 30 kHz. Każdy impuls nadawczy jest oddzielony odległością od 5 km do 50 km.

Zasięg i prędkość celu są składane w wyniku operacji modulo uzyskanej w procesie próbkowania.

Prawdziwy zakres znajduje się za pomocą procesu rozwiązywania niejednoznaczności.

• Wyjaśnienie procesu rozwiązywania niejednoznaczności

Odebrane sygnały z wielu PRF są porównywane przy użyciu procesu rozwiązywania niejednoznaczności zakresu.

• Wyjaśnienie procesu rozwiązywania niejednoznaczności zakresu

Odebrane sygnały są również porównywane przy użyciu procesu rozdzielczości niejednoznaczności częstotliwości.

• Wyjaśnienie procesu rozwiązywania niejednoznaczności częstotliwości

Zamek

Prędkość reflektora wyznacza się poprzez pomiar zmiany zasięgu reflektora w krótkim czasie. Ta zmiana zakresu jest dzielona przez przedział czasu, aby określić prędkość.

Prędkość wyznacza się również przy użyciu częstotliwości Dopplera do detekcji.

Obydwa są odejmowane, a różnica jest krótko uśredniana.

${\ displaystyle {\ tekst {kryteria blokady}} {\ początek {przypadki} \ operatorname {\ lewo ({\ frac {\ Delta R}{\Delta T}}\right)-\left({\frac {C\times {\text{Częstotliwość Dopplera}}}{2\times {\text{Częstotliwość transmisji}}}}\right)< {\text{Próg}}} \end{przypadki}}}$

Jeśli średnia różnica spadnie poniżej progu, sygnał jest zablokowany .

Blokada oznacza, że ​​sygnał podlega mechanice Newtona . Prawidłowe reflektory powodują zablokowanie. Nieprawidłowe sygnały nie. Nieprawidłowe odbicia obejmują np. łopaty helikoptera, gdzie Doppler nie odpowiada prędkości pojazdu poruszającego się w powietrzu. Nieprawidłowe sygnały obejmują mikrofale wytwarzane przez źródła inne niż nadajnik, np. zakłócanie i oszustwo radaru .

Reflektorów, które nie wytwarzają sygnału blokady, nie można śledzić przy użyciu konwencjonalnej techniki. Oznacza to, że pętla sprzężenia zwrotnego musi zostać otwarta w przypadku obiektów takich jak helikoptery, ponieważ główny korpus pojazdu może znajdować się poniżej prędkości odrzutu (widoczne są tylko łopaty).

Przejście do śledzenia następuje automatycznie w przypadku wykrycia skutkującego blokadą.

W przypadku źródeł sygnału nienewtonowskich przejście na śledzenie odbywa się zwykle ręcznie, ale w celu zautomatyzowania procesu można zastosować dodatkowe przetwarzanie sygnału. Aby można było uzyskać dane o śladzie, w pobliżu źródła sygnału należy wyłączyć sprzężenie zwrotne prędkości Dopplera.

Ścieżka

Główny artykuł: Algorytm śledzenia

Tryb śledzenia rozpoczyna się po wykryciu trwałej detekcji w określonej lokalizacji.

Podczas toru położenie XYZ reflektora jest określane przy użyciu kartezjańskiego układu współrzędnych i mierzona jest prędkość XYZ reflektora w celu przewidzenia przyszłej pozycji. Przypomina to działanie filtru Kalmana . Prędkość XYZ jest mnożona przez czas pomiędzy skanami, aby określić każdy nowy punkt celowania anteny.

Radar wykorzystuje biegunowy układ współrzędnych . Pozycja toru służy do określenia punktu celowania lewo-prawo i góra-dół dla pozycji anteny w przyszłości. Antenę należy nakierować na pozycję, która namaluje cel z maksymalną energią i nie ciągnąć za nią, w przeciwnym razie radar będzie mniej skuteczny.

Szacowana odległość do reflektora jest porównywana z odległością zmierzoną. Różnica polega na błędzie odległości. Błąd odległości to sygnał zwrotny używany do korygowania informacji o położeniu i prędkości dla danych toru.

Częstotliwość Dopplera zapewnia dodatkowy sygnał sprzężenia zwrotnego podobny do sprzężenia zwrotnego stosowanego w pętli synchronizacji fazowej . Poprawia to dokładność i niezawodność informacji o położeniu i prędkości.

Amplituda i faza sygnału zwracanego przez reflektor są przetwarzane podczas toru przy użyciu technik radaru jednoimpulsowego . Mierzy przesunięcie pomiędzy pozycją skierowaną anteny a pozycją obiektu. Nazywa się to błędem kątowym .

Każdy oddzielny obiekt musi mieć własną, niezależną informację o utworze. Nazywa się to historią toru i obejmuje krótki okres czasu. W przypadku obiektów unoszących się w powietrzu może to trwać nawet godzinę. Okres obserwacji obiektów podwodnych może sięgać tygodnia lub dłużej.

Ślady, w przypadku których obiekt powoduje wykrycie, nazywane są śladami aktywnymi .

Śledzenie jest kontynuowane przez krótki czas przy braku jakichkolwiek wykryć. Ścieżki bez wykrycia są torami z wybiegiem . Informacje o prędkości wykorzystywane są do oszacowania pozycji celowania anteny. Są one usuwane po krótkim czasie.

Każda ścieżka ma otaczającą objętość przechwytywania , w przybliżeniu kształt piłki nożnej. Promień objętości wychwytywanej to w przybliżeniu odległość, jaką najszybszy wykrywalny pojazd może pokonać pomiędzy kolejnymi skanami tej objętości, która jest określana przez filtr pasmowo-przepustowy odbiornika w radarze impulsowo-dopplerowskim.

Nowe tory mieszczące się w obszarze przechwytywania toru przybrzeżnego są korelowane krzyżowo z historią toru pobliskiego toru przybrzeżnego. Jeśli pozycja i prędkość są zgodne, historia toru wybiegowego jest łączona z nowym torem. Nazywa się to ścieżką dołączenia .

Nowa ścieżka w obszarze przechwytywania aktywnej ścieżki nazywana jest ścieżką podzieloną .

Informacje o ścieżce impulsowo-dopplerowskiej obejmują obszar obiektu, błędy, przyspieszenie i stan blokady, które są częścią logiki decyzyjnej obejmującej łączenie i dzielenie ścieżek.

Inne strategie są stosowane w przypadku obiektów, które nie spełniają fizyki newtonowskiej .

Użytkownikom zazwyczaj udostępnia się kilka wyświetlaczy, które pokazują informacje z danych toru i nieprzetworzonych wykrytych sygnałów.

• Wskaźnik pozycji planu
• Przewijane powiadomienia o nowych utworach, dzieleniu utworów i dołączaniu do utworów
• Wyświetlanie amplitudy zakresu
• Wskaźnik wysokości zasięgu
• Wyświetlanie błędu kąta

Wskaźnik pozycji planu i powiadomienia o przewijaniu są automatyczne i nie wymagają żadnych działań ze strony użytkownika. Pozostałe wyświetlacze aktywują się, aby pokazać dodatkowe informacje dopiero po wybraniu utworu przez użytkownika.