Импульсно-доплеровская обработка сигналов

Импульсно-доплеровская обработка сигналов — это стратегия повышения производительности радара и CEUS , которая позволяет обнаруживать небольшие высокоскоростные объекты в непосредственной близости от крупных медленно движущихся объектов. Улучшение обнаружения порядка 1 000 000:1 является обычным явлением. Небольшие быстро движущиеся объекты можно идентифицировать вблизи местности, у поверхности моря и внутри штормов.

Эта стратегия обработки сигналов используется в импульсно-доплеровских радарах и многорежимных радарах, которые затем можно направить на области, содержащие большое количество медленно движущихся отражателей, не перегружая компьютерное программное обеспечение и операторов. Другие стратегии обработки сигналов, такие как индикация движущихся целей , больше подходят для благоприятных условий ясного голубого неба.

Он также используется для измерения кровотока при допплерографии .

Среда

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

Импульсно-допплеровский метод начинается с когерентных импульсов, передаваемых через антенну или преобразователь.

В импульсе передачи нет модуляции. Каждый импульс — это идеально чистый кусочек идеального связного тона. Когерентный тон создается гетеродином.

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

Импульсы передачи передаются с частотой повторения импульсов .

Энергия передаваемых импульсов распространяется в пространстве, пока не прерывается отражателями. Это нарушение приводит к тому, что часть передаваемой энергии отражается обратно на антенну радара или преобразователь вместе с фазовой модуляцией, вызванной движением. Тот же тон, который используется для генерации импульсов передачи, также используется для преобразования полученных сигналов в модулирующий сигнал .

Отраженная энергия, преобразованная с понижением частоты в модулирующую полосу, дискретизируется.

Выборка начинается после затухания каждого передаваемого импульса. Это фаза покоя передатчика.

Фаза покоя разделена на равноотстоящие друг от друга интервалы выборки. Выборки собираются до тех пор, пока радар не начнет выдавать еще один импульс передачи.

Ширина импульса каждой выборки соответствует ширине импульса передачи.

Необходимо взять достаточное количество выборок, чтобы они служили входными данными для импульсно-доплеровского фильтра.

Выборка

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

Гетеродин разделяется на два сигнала, смещенных на 90 градусов, и каждый из них смешивается с принятым сигналом. Это смешивание дает I(t) и Q(t). Фазовая когерентность передаваемого сигнала имеет решающее значение для импульсно-доплеровского режима. На диаграмме вверху показаны фазы волнового фронта I/Q.

Каждый из дисков, показанных на этой диаграмме, представляет собой одну выборку, взятую из нескольких импульсов передачи, т.е. одну и ту же выборку, смещенную на период передачи (1/PRF). Это неоднозначный диапазон. Каждая выборка будет аналогичной, но с задержкой на одну или несколько длительностей импульса от показанной. Сигналы в каждом образце состоят из сигналов отражений в нескольких диапазонах.

На диаграмме показана спираль против часовой стрелки, что соответствует движению внутрь. Это ап-допплер. Даун-допплер создаст 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 образованию боковых лепестков частоты рядом с истинным сигналом для входного сигнала, который представляет собой чистый тон. Окно подавляет боковые лепестки, вызванные процессом выборки.

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

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

• Подробное объяснение оконного режима

Окно Дольфа-Чебычева обеспечивает оптимальное подавление боковых лепестков обработки.

Фильтрация

Импульсно-доплеровская обработка сигналов. Ось Range Sample представляет отдельные выборки, взятые между каждым импульсом передачи. Ось «Интервал импульсов» представляет каждый последующий интервал импульсов передачи, в течение которого отбираются образцы. Процесс быстрого преобразования Фурье преобразует выборки во временной области в спектры в частотной области. Иногда это называют гвоздевым ложем .

Импульсно-доплеровская обработка сигналов разделяет отраженные сигналы на ряд 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 m × n матрицу , выборок во временной области показанную в верхней половине диаграммы.

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

Все выборки, взятые из периода выборки «Выборка 1» , формируют входные данные для первого набора фильтров. Это первый неоднозначный интервал диапазона.

Все выборки, взятые из периода выборки «Выборка 2» , формируют входные данные для второго набора фильтров. Это второй неоднозначный интервал диапазона.

Это продолжается до тех пор, пока выборки, взятые из периода выборки Sample N, не станут входными данными для последнего набора фильтров. Это самый дальний неоднозначный интервал диапазона.

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

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

Обнаружение

Обработка обнаружения для импульсного доплера дает неоднозначный диапазон и неоднозначную скорость, соответствующие одному из выходных данных БПФ из одной из выборок диапазона. Отражения попадают в фильтры, соответствующие разным частотам, которые разделяют погодные явления, местность и самолеты на разные зоны скорости на каждом диапазоне.

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

Обнаружение постоянной частоты ложных тревог выполняется на выходе БПФ.

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

${\text{Threshold criterion}}\left\{{\begin{aligned}\mathrm {Cell} (n)>{}&[\mathrm {Cell} (n-2)\\&{}+\mathrm {Cell} (n-1)\\&{}+\mathrm {Cell} (n+1)\\&{}+\mathrm {Cell} (n+2)]\\&{}\times {\text{Constant}}\end{aligned}}\right.$

Область вокруг места обнаружения исследуется, чтобы определить, когда знак наклона меняется с $+$ к $-$, который является местом обнаружения (локальный максимум). Обнаружения для одного неоднозначного диапазона сортируются в порядке убывания амплитуды.

${\text{Peak criterion}}{\begin{cases}\left({\frac {\Delta {\text{Amplitude}}}{\Delta {\text{Frequency}}}}\right)\mathrm {Cell} (n-1)<0\\[6pt]\left({\frac {\Delta {\text{Amplitude}}}{\Delta {\text{Frequency}}}}\right)\mathrm {Cell} (n+1)>0\end{cases}}$

Обнаружение охватывает только скорости, превышающие настройку отклонения скорости. Например, если для отклонения скорости установлено значение 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.

${\text{Speed criterion}}{\begin{cases}\left({\frac {C\times {\text{Doppler frequency}}}{2\times {\text{Transmit frequency}}}}\right)>{\text{Rejection}}\end{cases}}$

Для моноимпульсного радара обработка сигналов идентична для лепестков гашения главного и боковых каналов . Это определяет, находится ли объект в главном лепестке или смещен выше, ниже, слева или справа от луча антенны .

${\text{Mainlobe criterion}}{\begin{cases}\mathrm {Main\ Lobe>Constant\times Side\ Lobe} \end{cases}}$

Сигналы, которые удовлетворяют всем этим критериям, являются обнаружениями. Они отсортированы в порядке убывания амплитуды (от наибольшего к наименьшему).

Отсортированные обнаружения обрабатываются с помощью алгоритма разрешения неоднозначности дальности 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 объединена в однозначную зону. Области за пределами синих зон представляют собой слепые диапазоны и слепые скорости, которые заполняются с использованием нескольких PRF и изменения частоты.

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

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

Дальность и скорость цели складываются по модулю, производимому процессом выборки.

Истинный диапазон определяется с помощью процесса разрешения неоднозначности.

• Объяснение процесса разрешения неоднозначности

Полученные сигналы от нескольких PRF сравниваются с использованием процесса разрешения неоднозначности диапазона.

• Объяснение процесса разрешения неоднозначности диапазона

Полученные сигналы также сравниваются с использованием процесса разрешения частотной неоднозначности.

• Объяснение процесса разрешения частотной неоднозначности

Замок

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

Скорость также определяется с использованием доплеровской частоты для обнаружения.

Два вычитаются, и разница кратко усредняется.

${\text{Lock criteria}}{\begin{cases}\mathrm {\left({\frac {\Delta R}{\Delta T}}\right)-\left({\frac {C\times {\text{Doppler Frequency}}}{2\times {\text{Transmit Frequency}}}}\right)<{\text{Threshold}}} \end{cases}}$

Если средняя разница падает ниже порога, то это сигнал блокировки .

Блокировка означает, что сигнал подчиняется механике Ньютона . Действующие отражатели производят блокировку. Недействительные сигналы этого не делают. К недопустимым отражениям относятся такие вещи, как лопасти вертолета, где доплеровское значение не соответствует скорости, с которой транспортное средство движется по воздуху. К недействительным сигналам относятся микроволны, создаваемые источниками, отдельными от передатчика, например радиолокационные помехи и обман .

Отражатели, не генерирующие сигнал захвата, невозможно отследить традиционными методами. Это означает, что контур обратной связи должен быть открыт для таких объектов, как вертолеты, поскольку основная часть транспортного средства может иметь скорость ниже скорости отклонения (видны только лопасти).

Переход к отслеживанию происходит автоматически при обнаружении, вызывающем блокировку.

Переход к отслеживанию обычно осуществляется вручную для неньютоновских источников сигнала, но для автоматизации процесса можно использовать дополнительную обработку сигнала. Обратная связь по доплеровской скорости должна быть отключена вблизи источника сигнала для получения данных пути.

Отслеживать

Основная статья: Алгоритм отслеживания

Режим отслеживания начинается, когда обнаружение сохраняется в определенном месте.

Во время отслеживания положение отражателя по XYZ определяется с использованием декартовой системы координат , а скорость отражателя 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, а не тянуться за ней, иначе радар будет менее эффективен.

Расчетное расстояние до отражателя сравнивается с измеренным расстоянием. Разница заключается 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 системе фазовой автоподстройки частоты . Это повышает точность и надежность информации о местоположении и скорости.

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

Каждый отдельный объект должен иметь свою независимую информацию о треке. Это называется историей треков, и она простирается на короткий промежуток времени. Для воздушных объектов это может занять до часа. Срок обнаружения подводных объектов может составлять неделю и более.

Треки, по которым объект производит обнаружение, называются активными треками .

Отслеживание продолжается ненадолго при отсутствии каких-либо обнаружений. Треки, которые не были обнаружены, являются треками с выбегом . Информация о скорости используется для оценки положения наведения антенны. Они отбрасываются через короткий период времени.

Каждую дорожку окружает объем захвата , напоминающий по форме футбольный мяч. Радиус объема захвата - это примерно расстояние, которое может преодолеть самое быстрое обнаруживаемое транспортное средство между последовательными сканированиями этого объема, которое определяется полосовым фильтром приемника в импульсно-доплеровском радаре.

Новые треки, попадающие в объем захвата выехавшего на поверхность пути, перекрестно коррелируют с историей пути ближайшего выехавшего пути. Если положение и скорость совместимы, то история пройденного пути объединяется с новым маршрутом. Это называется объединенной дорожкой .

Новая дорожка в объеме захвата активной дорожки называется разделенной дорожкой .

Информация импульсно-доплеровского трека включает в себя область объекта, ошибки, ускорение и состояние блокировки, которые являются частью логики принятия решений, включающей объединение треков и разделение треков.

Другие стратегии используются для объектов, которые не удовлетворяют 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 угловой ошибки

Индикатор положения плана и уведомления о прокрутке выполняются автоматически и не требуют действий пользователя. Остальные дисплеи активируются и отображают дополнительную информацию только тогда, когда пользователь выбирает трек.