Hispanopedia WikiEl procesamiento de señales Doppler pulsadas es una estrategia de mejora del rendimiento del radar y del CEUS que permite detectar objetos pequeños de alta velocidad muy cerca de objetos grandes que se mueven lentamente. Es común observar mejoras en la detección del orden de 1.000.000:1. Los objetos pequeños que se mueven rápidamente pueden identificarse cerca del terreno, cerca de la superficie del mar e incluso dentro de tormentas.
Esta estrategia de procesamiento de señales se utiliza en radares Doppler de pulsos y radares multimodo, que luego pueden apuntar a regiones con gran cantidad de reflectores de movimiento lento sin sobrecargar el software ni a los operadores. Otras estrategias de procesamiento de señales, como la indicación de objetivos en movimiento , son más apropiadas para entornos con cielos despejados y sin obstáculos.
También se utiliza para medir el flujo sanguíneo en la ecografía Doppler .
Ambiente
La técnica de pulso-Doppler comienza con pulsos coherentes transmitidos a través de una antena o transductor.
No hay modulación en el pulso de transmisión. Cada pulso es una porción perfectamente limpia de un tono coherente perfecto. El tono coherente es producido por el oscilador local .
Entre la antena y el reflector pueden transmitirse docenas de pulsos. En un entorno hostil, pueden producirse millones de reflexiones adicionales provenientes de objetos que se mueven lentamente o que están inmóviles.
Los pulsos de transmisión se envían a la frecuencia de repetición de pulsos .
La energía de los pulsos de transmisión se propaga por el espacio hasta que los reflectores la desvían. Esta desviación provoca que parte de la energía transmitida se refleje de vuelta a la antena o transductor del radar, junto con la modulación de fase causada por el movimiento. El mismo tono que se utiliza para generar los pulsos de transmisión también se utiliza para convertir las señales recibidas a banda base .
Se muestrea la energía reflejada que ha sido convertida a banda base.
El muestreo comienza después de que se extingue cada pulso de transmisión. Esta es la fase de reposo del transmisor.
La fase de reposo se divide en intervalos de muestreo igualmente espaciados. Las muestras se recogen hasta que el radar comienza a emitir otro pulso de transmisión.
La duración del pulso de cada muestra coincide con la duración del pulso de transmisión.
Se deben tomar suficientes muestras para que sirvan como entrada al filtro Doppler pulsado.
Muestreo
El oscilador local se divide en dos señales desfasadas 90 grados, y cada una se mezcla con la señal recibida. Esta mezcla produce I(t) y Q(t). La coherencia de fase de la señal transmitida es crucial para el funcionamiento del control Doppler por impulsos. En el diagrama, la parte superior muestra las fases del frente de onda en I/Q.
Cada uno de los discos mostrados en este diagrama representa una muestra individual tomada de múltiples pulsos de transmisión, es decir, la misma muestra con un desfase del período de transmisión (1/PRF). Este es el rango ambiguo. Cada muestra sería similar, pero con un desfase de uno o más anchos de pulso respecto a las que se muestran. Las señales en cada muestra se componen de señales provenientes de reflexiones en múltiples rangos.
El diagrama muestra una espiral en sentido antihorario, que corresponde a un movimiento de entrada. Esto es Doppler ascendente. El Doppler descendente produciría una espiral en sentido horario.
Ventanas
El proceso de muestreo digital provoca oscilaciones en los filtros utilizados para eliminar las señales reflejadas por objetos de movimiento lento. El muestreo genera lóbulos laterales de frecuencia adyacentes a la señal original cuando se trata de un tono puro. El uso de ventanas suprime los lóbulos laterales inducidos por el proceso de muestreo.
La ventana es el número de muestras que se utilizan como entrada para el filtro.
El proceso de ventana toma una serie de constantes complejas y multiplica cada muestra por su constante de ventana correspondiente antes de que la muestra se aplique al filtro.
El método de ventanas de Dolph-Chebychev proporciona una supresión óptima de los lóbulos laterales del procesamiento.
Filtración
El procesamiento de señales Doppler pulsadas separa las señales reflejadas en varios filtros de frecuencia. Existe un conjunto de filtros independiente para cada rango ambiguo. Las muestras I y Q descritas anteriormente se utilizan para iniciar el proceso de filtrado.
Estas muestras están organizadas en la matriz m × n de muestras del dominio del tiempo que se muestra en la mitad superior del diagrama.
Las muestras del dominio del tiempo se convierten al dominio de la frecuencia mediante un filtro digital . Esto generalmente implica una transformada rápida de Fourier (FFT). Durante el procesamiento de la señal se producen lóbulos laterales, por lo que se requiere una estrategia de supresión de lóbulos laterales, como la función de ventana de Dolph-Chebyshev , para reducir las falsas alarmas. [ 1 ]
Todas las muestras tomadas del período de muestreo de la Muestra 1 constituyen la entrada para el primer conjunto de filtros. Este es el primer intervalo de rango ambiguo.
Todas las muestras tomadas del período de muestreo de la Muestra 2 constituyen la entrada para el segundo conjunto de filtros. Este es el segundo intervalo de rango ambiguo.
Esto continúa hasta que las muestras tomadas del período de muestreo de la Muestra N forman la entrada para el último conjunto de filtros. Este es el intervalo de rango ambiguo más lejano.
El resultado es que cada rango ambiguo producirá un espectro separado que corresponderá con todas las frecuencias Doppler en ese rango.
El filtro digital produce tantas salidas de frecuencia como pulsos de transmisión se utilicen para el muestreo. Para generar una FFT con 1024 salidas de frecuencia se requieren 1024 pulsos de transmisión como entrada.
Detección
El procesamiento de detección para el Doppler pulsado produce un alcance y una velocidad ambiguos que corresponden a una de las salidas de la transformada rápida de Fourier (FFT) de una de las muestras de alcance. Las reflexiones caen en filtros que corresponden a diferentes frecuencias, lo que permite separar los fenómenos meteorológicos, el terreno y las aeronaves en distintas zonas de velocidad para cada alcance.
Se requieren múltiples criterios simultáneos para que una señal pueda considerarse una detección.
Se utiliza un procesamiento de tasa de falsas alarmas constante para examinar cada salida de la transformada rápida de Fourier (FFT) y detectar señales. Este es un proceso adaptativo que se ajusta automáticamente al ruido de fondo y a las influencias ambientales. Se analiza una celda , cuyas celdas circundantes se suman, se multiplican por una constante y se utiliza para establecer un umbral.
![{\displaystyle {\text{Criterio de umbral}}\left\{{\begin{aligned}\mathrm {Celda} (n)>{}&[\mathrm {Celda} (n-2)\\&{}+\mathrm {Celda} (n-1)\\&{}+\mathrm {Celda} (n+1)\\&{}+\mathrm {Celda} (n+2)]\\&{}\times {\text{Constante}}\end{aligned}}\right.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/96b2d54fe3ac60541b73ef6423a4bd8ae4855865)
Se examina el área que rodea la detección para determinar cuándo cambia el signo de la pendiente.a, que es la ubicación de la detección (el máximo local). Las detecciones para un único rango ambiguo se ordenan en orden descendente de amplitud.
![{\displaystyle {\text{Criterio de pico}}{\begin{cases}\left({\frac {\Delta {\text{Amplitud}}}{\Delta {\text{Frecuencia}}}}\right)\mathrm {Celda} (n-1)<0\\[6pt]\left({\frac {\Delta {\text{Amplitud}}}{\Delta {\text{Frecuencia}}}}\right)\mathrm {Celda} (n+1)>0\end{cases}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/885988d9be1c3e01b28c647decb010eaeb3fe4bb)
La detección solo abarca las velocidades que superan el límite de rechazo de velocidad. Por ejemplo, si el rechazo de velocidad está configurado en 75 millas por hora, el granizo que se mueve a 50 millas por hora dentro de una tormenta eléctrica no se detectará, pero una aeronave que se mueve a 100 millas por hora sí se detectará.
En el radar monopulso , el procesamiento de la señal es idéntico para los canales de supresión del lóbulo principal y de los lóbulos laterales . Esto permite determinar si la ubicación del objeto se encuentra dentro del lóbulo principal o si está desplazada hacia arriba, abajo, izquierda o derecha del haz de la antena .
Las señales que cumplen con todos estos criterios son detecciones. Estas se ordenan de mayor a menor amplitud.
Las detecciones clasificadas se procesan con un algoritmo de resolución de ambigüedad de rango para identificar el rango y la velocidad reales del reflejo del objetivo.
Resolución de ambigüedades
El radar Doppler pulsado puede tener 50 o más pulsos entre el radar y el reflector.
La técnica Doppler pulsada se basa en una frecuencia de repetición de pulsos (PRF) media, de aproximadamente 3 kHz a 30 kHz. Cada pulso transmitido está separado por una distancia de 5 km a 50 km.
El alcance y la velocidad del objetivo se combinan mediante una operación de módulo producida por el proceso de muestreo.
El rango real se determina mediante el proceso de resolución de ambigüedades.
Las señales recibidas de múltiples PRF se comparan utilizando el proceso de resolución de ambigüedad de rango.
Las señales recibidas también se comparan mediante el proceso de resolución de ambigüedad de frecuencia.
Cerrar
La velocidad del reflector se determina midiendo el cambio en su alcance durante un breve intervalo de tiempo. Este cambio se divide entre dicho intervalo para calcular la velocidad.
La velocidad también se determina utilizando la frecuencia Doppler para la detección.
Se restan ambos valores y se calcula brevemente la media de la diferencia.
Si la diferencia promedio cae por debajo de un umbral, entonces la señal es un bloqueo .
El bloqueo significa que la señal obedece a la mecánica newtoniana . Los reflectores válidos producen un bloqueo. Las señales inválidas no. Entre las reflexiones inválidas se incluyen las de las palas de un helicóptero, donde el efecto Doppler no se corresponde con la velocidad a la que se desplaza el vehículo por el aire. Las señales inválidas incluyen las microondas generadas por fuentes ajenas al transmisor, como las producidas por interferencias de radar y engaño .
Los reflectores que no generan una señal de bloqueo no pueden ser rastreados con la técnica convencional. Esto significa que el bucle de retroalimentación debe activarse para objetos como helicópteros, ya que el cuerpo principal del vehículo puede estar por debajo de la velocidad de rechazo (solo las palas son visibles).
La transición al modo de seguimiento es automática para las detecciones que producen un bloqueo.
La transición a la trayectoria suele ser manual para fuentes de señal no newtonianas, pero se puede utilizar un procesamiento de señal adicional para automatizar el proceso. La retroalimentación de velocidad Doppler debe desactivarse en las proximidades de la fuente de señal para generar los datos de trayectoria.
Pista
El modo de seguimiento se activa cuando se detecta un fenómeno de forma sostenida en una ubicación específica.
Durante el seguimiento, la posición XYZ del reflector se determina mediante un sistema de coordenadas cartesianas , y se mide su velocidad XYZ para predecir su posición futura. Esto es similar al funcionamiento de un filtro de Kalman . La velocidad XYZ se multiplica por el tiempo transcurrido entre escaneos para determinar cada nuevo punto de mira de la antena.
El radar utiliza un sistema de coordenadas polares . La posición de seguimiento se utiliza para determinar el punto de mira horizontal y vertical de la antena en el futuro. La antena debe apuntar a la posición que ilumine el objetivo con la máxima energía, sin quedar rezagada, ya que de lo contrario el radar será menos eficaz.
La distancia estimada a un reflector se compara con la distancia medida. La diferencia es el error de distancia. El error de distancia es una señal de retroalimentación que se utiliza para corregir la información de posición y velocidad de los datos de seguimiento.
La frecuencia Doppler proporciona una señal de retroalimentación adicional similar a la utilizada en un bucle de enganche de fase . Esto mejora la precisión y la fiabilidad de la información de posición y velocidad.
La amplitud y la fase de la señal reflejada por el reflector se procesan mediante técnicas de radar monopulso durante el seguimiento. Esto mide la diferencia entre la posición de la antena y la posición del objeto. Esto se denomina error angular .
Cada objeto individual debe tener su propia información de seguimiento independiente. Esto se denomina historial de seguimiento y abarca un breve período de tiempo. Para objetos aéreos, este período puede ser de hasta una hora. Para objetos submarinos, el período puede extenderse hasta una semana o más.
Las trayectorias en las que el objeto produce una detección se denominan trayectorias activas .
El seguimiento se prolonga brevemente en ausencia de detecciones. Los seguimientos sin detecciones se consideran seguimientos de inercia . La información de velocidad se utiliza para estimar las posiciones de apuntamiento de la antena. Estos se descartan tras un breve periodo.
Cada trayectoria tiene un volumen de captura circundante , aproximadamente con la forma de un balón de fútbol. El radio del volumen de captura es aproximadamente la distancia que el vehículo detectable más rápido puede recorrer entre escaneos sucesivos de dicho volumen, la cual está determinada por el filtro de paso de banda del receptor en el radar Doppler de pulsos.
Las nuevas trayectorias que caen dentro del volumen de captura de una trayectoria de inercia se correlacionan con el historial de la trayectoria de inercia cercana. Si la posición y la velocidad son compatibles, el historial de la trayectoria de inercia se combina con la nueva trayectoria. Esto se denomina trayectoria de unión .
Una nueva pista dentro del volumen de captura de una pista activa se denomina pista dividida .
La información de seguimiento por pulso-Doppler incluye el área del objeto, los errores, la aceleración y el estado de bloqueo, que forman parte de la lógica de decisión relacionada con la unión y la separación de trayectorias.
Se utilizan otras estrategias para objetos que no satisfacen las leyes de la física newtoniana .
Por lo general, a los usuarios se les presentan varias pantallas que muestran información de los datos de seguimiento y las señales detectadas sin procesar.
- Indicador de posición del plan
- Notificaciones desplazables para pistas nuevas, pistas divididas y pistas unidas
- Visualización de amplitud de rango
- Indicador de altura de alcance
- Visualización de error de ángulo
El indicador de posición del plano y las notificaciones desplazables son automáticos y no requieren ninguna acción por parte del usuario. Las demás pantallas se activan para mostrar información adicional solo cuando el usuario selecciona una ruta.
Referencias
- ↑ "Ventana Dolph-Chebyshev" . Universidad de Stanford . Consultado el 29 de enero de 2011 .
- Radar
- Procesamiento de señales de radar