Обработка импульсно-доплеровского сигнала - Pulse-Doppler signal processing

Обработка импульсного доплеровского сигнала - это стратегия улучшения характеристик радара и CEUS , которая позволяет обнаруживать небольшие высокоскоростные объекты в непосредственной близости от крупных медленно движущихся объектов. Улучшения обнаружения порядка 1000000: 1 являются обычными. Небольшие быстро движущиеся объекты можно идентифицировать вблизи местности, у поверхности моря и во время штормов.

Эта стратегия обработки сигналов используется в импульсных доплеровских радарах и многомодовых радарах, которые затем могут быть направлены в области, содержащие большое количество медленно движущихся отражателей, без чрезмерного использования компьютерного программного обеспечения и операторов. Другие стратегии обработки сигналов, такие как индикация движущейся цели , более подходят для условий безоблачного голубого неба.

Он также используется для измерения кровотока при ультразвуковой допплерографии .

Окружающая среда

Обработка импульсно-доплеровского сигнала начинается с выборок, взятых между несколькими импульсами передачи. Показан пример стратегии, расширенной для одного импульса передачи.

Импульсный допплер начинается с когерентных импульсов, передаваемых через антенну или преобразователь.

На передающем импульсе нет модуляции. Каждый импульс - это идеально чистый кусок идеального когерентного тона. Когерентный тон создается гетеродином.

Между антенной и отражателем могут быть десятки импульсов передачи. Во враждебной среде могут быть миллионы других отражений от медленно движущихся или неподвижных объектов.

Передаваемые импульсы отправляются с частотой повторения импульсов .

Энергия передаваемых импульсов распространяется в пространстве, пока не будет нарушена отражателями. Это нарушение приводит к тому, что часть передаваемой энергии отражается обратно в антенну радара или преобразователь вместе с фазовой модуляцией, вызванной движением. Тот же тон, который используется для генерации импульсов передачи, также используется для преобразования принятых сигналов с понижением частоты до основной полосы частот .

Отраженная энергия, которая была преобразована с понижением в полосу модулирующих частот, дискретизируется.

Выборка начинается после гашения каждого импульса передачи. Это фаза покоя передатчика.

Фаза покоя делится на равные интервалы выборки. Образцы собираются до тех пор, пока радар не начнет выдавать следующий импульс передачи.

Ширина импульса каждой выборки соответствует ширине передаваемого импульса.

Должно быть взято достаточное количество образцов, которые будут входить в импульсный доплеровский фильтр.

Отбор проб

Обработка импульсно-доплеровского сигнала начинается с I и Q отсчетов.

Локальный генератор разделяется на два сигнала, которые смещены на 90 градусов, и каждый смешивается с принятым сигналом. Это смешивание дает I (t) и Q (t). Фазовая когерентность передаваемого сигнала имеет решающее значение для работы в импульсном доплеровском режиме. На диаграмме вверху показаны фазы волнового фронта по I / Q.

Каждый из дисков, показанных на этой диаграмме, представляет собой одну выборку, взятую из нескольких импульсов передачи, то есть одно и то же смещение выборки на период передачи (1 / PRF). Это неоднозначный диапазон. Каждая выборка будет похожей, но с задержкой на одну или несколько длительностей импульса по сравнению с показанными. Сигналы в каждой выборке состоят из сигналов отражений на нескольких диапазонах.

На диаграмме изображена спираль против часовой стрелки, что соответствует входящему движению. Это доплеровский ап. Down-Doppler будет производить спираль по часовой стрелке.

Окно

Процесс цифровой выборки вызывает звон в фильтрах, которые используются для удаления отраженных сигналов от медленно движущихся объектов. Выборка приводит к появлению боковых лепестков частоты рядом с истинным сигналом для входа, представляющего собой чистый тон. Windowing подавляет боковые лепестки, вызванные процессом выборки.

Окно - это количество выборок, которые используются в качестве входных данных для фильтра.

Оконный процесс принимает ряд комплексных констант и умножает каждую выборку на соответствующую оконную константу, прежде чем выборка будет применена к фильтру.

• Подробное объяснение работы с окнами

Использование окон Dolph-Chebychev обеспечивает оптимальное подавление боковых лепестков обработки.

Фильтрация

Обработка импульсно-доплеровского сигнала. Образец Диапазон ось представляет отдельные образцы , взятые между каждым передающим импульсом. Импульсный интервал ось представляет каждый последующий интервал передачи импульсов , в течение которого берутся образцы. Процесс быстрого преобразования Фурье преобразует отсчеты во временной области в спектры в частотной области. Иногда это называют гвоздем .

При обработке импульсно-доплеровского сигнала отраженные сигналы разделяются на несколько частотных фильтров. Для каждого неоднозначного диапазона существует отдельный набор фильтров. Описанные выше выборки I и Q используются для начала процесса фильтрации.

Эти выборки организованы в матрицу mxn выборок во временной области, показанную в верхней половине диаграммы.

Выборки во временной области преобразуются в частотную с помощью цифрового фильтра. Обычно это включает быстрое преобразование Фурье (БПФ). Боковые лепестки возникают во время обработки сигнала, и для уменьшения количества ложных тревог требуется стратегия подавления боковых лепестков, такая как оконная функция Дольфа-Чебышева .

Все выборки, взятые из периода выборки Sample 1, формируют входные данные для первого набора фильтров. Это первый интервал неопределенного диапазона.

Все выборки, взятые из периода выборки Sample 2, формируют входные данные для второго набора фильтров. Это второй интервал неопределенного диапазона.

Это продолжается до тех пор, пока выборки, взятые за период выборки N, не сформируют входные данные для последнего набора фильтров. Это самый дальний интервал неопределенного диапазона.

В результате каждый неоднозначный диапазон будет давать отдельный спектр, соответствующий всем доплеровским частотам в этом диапазоне.

Цифровой фильтр выдает столько частотных выходов, сколько переданных импульсов используется для выборки. Для создания одного БПФ с 1024 частотными выходами требуется 1024 импульса передачи на вход.

Обнаружение

Обработка обнаружения для импульсного доплеровского сдвига дает неоднозначный диапазон и неоднозначную скорость, соответствующие одному из выходных сигналов БПФ из одной из выборок диапазона. Отражения попадают в фильтры, соответствующие разным частотам, которые разделяют погодные явления, местность и воздушные суда на разные скоростные зоны в каждом диапазоне.

Прежде чем сигнал можно будет квалифицировать как обнаружение, требуется несколько одновременных критериев.

Обнаружение постоянной частоты ложных тревог на выходе БПФ.

Обработка постоянной частоты ложных тревог используется для проверки каждого выхода БПФ для обнаружения сигналов. Это адаптивный процесс, который автоматически подстраивается под фоновый шум и влияние окружающей среды. Это тестируемая ячейка , где окружающие ячейки складываются, умножаются на константу и используются для определения порога.

${\ displaystyle Threshold \ Criteria {\ begin {cases} \ mathrm {\ begin {align} Cell (n)> [Cell (n-2) + \\ Cell (n-1) + \\ Cell (n + 1) » + \\ Cell (n + 2)] \ times \\ Constant \ end {выравнивается}} \ end {case}}}$

Область вокруг обнаружения исследуется, чтобы определить, когда знак наклона изменяется с на , что является местом обнаружения (локальный максимум). Обнаружения для одного неоднозначного диапазона сортируются в порядке убывания амплитуды. ${\ displaystyle +}$${\ displaystyle -}$

${\ displaystyle Peak \ Criteria {\ begin {cases} \ mathrm {\ left ({\ frac {\ Delta Amplitude} {\ Delta Frequency}} \ right) Cell (n-1) <0} \\\ mathrm {\ left ({\ frac {\ Delta Amplitude} {\ Delta Frequency}} \ right) Ячейка (n + 1)> 0} \ end {cases}}}$

Обнаружение охватывает только скорости, превышающие настройку отклонения скорости. Например, если отклонение скорости установлено на 75 миль / час, то град, движущийся со скоростью 50 миль / час во время грозы, не будет обнаружен, но будет обнаружен самолет, движущийся со скоростью 100 миль / час.

${\ displaystyle Speed ​​\ Criteria {\ begin {cases} \ mathrm {\ left ({\ frac {C \ times Doppler \ Frequency} {2 \ times Transmit \ Frequency}} \ right)> Rejection} \ end {cases}} }$

Для моноимпульсного РЛСА , обработка сигналов идентична для главного лепестка и боковых лепестков прикрывать каналы. Это определяет, находится ли объект в главном лепестке или он смещен выше, ниже, слева или справа от луча антенны .

${\ displaystyle Mainlobe \ Criteria {\ begin {cases} \ mathrm {Main \ Lobe> Constant \ times Side \ Lobe} \ end {cases}}}$

Сигналы, удовлетворяющие всем этим критериям, являются обнаружениями. Они отсортированы в порядке убывания амплитуды (от наибольшей к наименьшей).

Отсортированные обнаружения обрабатываются с помощью алгоритма разрешения неоднозначности диапазона для определения истинной дальности и скорости отражения цели.

Разрешение неоднозначности

Зоны импульсно-доплеровской неоднозначности. Каждая синяя зона без метки представляет собой комбинацию скорости / диапазона, которая будет свернута в однозначную зону. Области за пределами синих зон - это слепые диапазоны и слепые скорости, которые заполняются с использованием множественной частоты повторения импульсов и изменения частоты.

Импульсный доплеровский радар может иметь 50 или более импульсов между радаром и отражателем.

Импульсный доплер основан на средней частоте повторения импульсов (PRF) от 3 до 30 кГц. Каждый импульс передачи разделен на расстояние от 5 км до 50 км.

Дальность и скорость цели складываются с помощью операции по модулю, производимой в процессе выборки.

Истинный диапазон находится с использованием процесса разрешения неоднозначности.

• Объяснение процесса разрешения неоднозначности

Принятые сигналы от множества PRF сравниваются с использованием процесса разрешения неоднозначности диапазона.

• Объяснение процесса разрешения неоднозначности диапазона

Принятые сигналы также сравниваются с использованием процесса разрешения неоднозначности частоты.

• Объяснение процесса разрешения неоднозначности частоты

Замок

Скорость отражателя определяется путем измерения изменения дальности действия отражателя за короткий промежуток времени. Это изменение диапазона делится на промежуток времени для определения скорости.

Скорость также определяется с использованием доплеровской частоты для обнаружения.

Эти два значения вычитаются, и разница кратко усредняется.

${\ displaystyle {\ text {Критерии блокировки}} {\ begin {cases} \ mathrm {\ left ({\ frac {\ Delta R} {\ Delta T}} \ right) - \ left ({\ frac {C \ times {\ text {Доплеровская частота}}} {2 \ times {\ text {Transmit Frequency}}}} \ right) <{\ text {Threshold}}} \ end {cases}}}$

Если средняя разница опускается ниже порогового значения, сигнал является блокировкой .

Замок означает, что сигнал подчиняется механике Ньютона . Действующие отражатели производят блокировку. Недействительных сигналов нет. К недействительным отражениям относятся такие вещи, как лопасти вертолета, где доплеровский эффект не соответствует скорости, с которой транспортное средство движется в воздухе. К недействительным сигналам относятся микроволны, создаваемые источниками, отдельными от передатчика, например, радиолокационные помехи и обман .

Отражатели, которые не производят сигнал блокировки, не могут быть отслежены с помощью обычного метода. Это означает, что контур обратной связи должен быть открыт для таких объектов, как вертолеты, потому что основная часть транспортного средства может быть ниже скорости отклонения (видны только лопасти).

Переход к отслеживанию выполняется автоматически при обнаружении блокировки.

Переход к отслеживанию обычно выполняется вручную для неньютоновских источников сигнала, но для автоматизации процесса может использоваться дополнительная обработка сигнала. Доплеровская обратная связь по скорости должна быть отключена вблизи источника сигнала для получения данных трека.

Трек

Режим отслеживания начинается, когда обнаружение сохраняется в определенном месте.

Во время отслеживания положение рефлектора по XYZ определяется с использованием декартовой системы координат , а скорость рефлектора по XYZ измеряется для прогнозирования будущего положения. Это похоже на работу фильтра Калмана . Скорость XYZ умножается на время между сканированиями для определения каждой новой точки прицеливания антенны.

Радар использует полярную систему координат . Положение трека используется для определения точки прицеливания влево-вправо и вверх-вниз для положения антенны в будущем. Антенна должна быть нацелена на позицию, которая будет окрашивать цель с максимальной энергией, и не увлекаться за ней, иначе радар будет менее эффективным.

Расчетное расстояние до отражателя сравнивается с измеренным расстоянием. Разница в ошибке расстояния. Ошибка расстояния - это сигнал обратной связи, используемый для корректировки информации о положении и скорости для данных трека.

Доплеровская частота обеспечивает дополнительный сигнал обратной связи, аналогичный обратной связи, используемой в контуре фазовой автоподстройки частоты . Это повышает точность и надежность информации о положении и скорости.

Амплитуда и фаза сигнала, возвращаемого отражателем, обрабатываются с использованием методов моноимпульсного радара во время отслеживания. Это измеряет смещение между положением наведения антенны и положением объекта. Это называется угловой ошибкой .

Каждый отдельный объект должен иметь свою собственную независимую информацию о треке. Это называется историей треков, и она длится за короткий промежуток времени. Для объектов, находящихся в воздухе, это может быть до часа. Временной интервал для подводных объектов может увеличиваться на неделю и более.

Треки, на которых объект обнаруживает, называются активными треками .

Если обнаружено, что трек будет продолжен ненадолго. Треки без обнаружений - это треки с выбегом . Информация о скорости используется для оценки положения наведения антенны. Они сбрасываются через короткое время.

Каждая дорожка имеет окружающий объем захвата , примерно в форме футбольного мяча. Радиус захватываемого объема приблизительно равен расстоянию, которое может пройти самое быстрое обнаруживаемое транспортное средство между последовательными сканированиями этого объема, которое определяется полосовым фильтром приемника в импульсном доплеровском радаре.

Новые треки, которые попадают в объем захвата трека с береговым движением, взаимно коррелируются с историей трека близлежащего трека с берегом. Если положение и скорость совместимы, то история пройденного по инерции маршрута объединяется с новым курсом. Это называется дорожкой соединения .

Новая дорожка в объеме захвата активной дорожки называется разделенной дорожкой .

Информация о треках импульсного доплеровского режима включает в себя площадь объекта, ошибки, ускорение и состояние блокировки, которые являются частью логики принятия решения, включающей объединение треков и разделение треков.

Другие стратегии используются для объектов, не удовлетворяющих ньютоновской физике .

Пользователям обычно предоставляется несколько дисплеев, на которых отображается информация из данных трека и необработанных обнаруженных сигналов.

• Индикатор положения плана
• Прокрутка уведомлений о новых треках, разделении треков и объединении треков
• Отображение амплитуды диапазона
• Индикатор высоты диапазона
• Отображение ошибки угла

Индикатор положения плана и уведомления о прокрутке работают автоматически и не требуют действий пользователя. Остальные дисплеи активируются для отображения дополнительной информации только тогда, когда трек выбран пользователем.

Ссылки