Обработка импульсно-доплеровского сигнала - Pulse-Doppler signal processing

Обработка импульсно-доплеровского сигнала это радар и CEUS Стратегия повышения производительности, позволяющая 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 импульсно-доплеровский радар и многорежимный радар, который затем может быть наведен на районы, содержащие большое количество медленно движущихся отражателей, без чрезмерного использования компьютерного программного обеспечения и операторов. Другие стратегии обработки сигналов, например индикация движущейся цели, больше подходят для безоблачного голубого неба.

Он также используется для измерения кровотока в Допплерография.

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 представляет собой 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.

Импульсы передачи отправляются в частота следования импульсов.

Энергия передаваемых импульсов распространяется в пространстве, пока не будет нарушена отражателями. Это нарушение приводит к тому, что часть передаваемой энергии отражается обратно на антенну радара или преобразователь вместе с фазовая модуляция вызвано движением. Тот же тон, который используется для генерации импульсов передачи, также используется для понижать полученные сигналы основная полоса.

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, соответствующая 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 перед тем, как выборка применяется к фильтру.

• Подробное объяснение работы с окнами

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

Фильтрация

Обработка импульсно-доплеровского сигнала. В Пример диапазона ось представляет отдельные выборки, взятые между каждым импульсом передачи. В Импульсный интервал ось представляет каждый последовательный интервал импульсов передачи, в течение которого берутся образцы. Процесс быстрого преобразования Фурье преобразует отсчеты во временной области в спектры в частотной области. Иногда это называют кровать из гвоздей.

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 образцы организованы в m x n матрица из область времени образцы показаны в верхней половине диаграммы.

Выборки во временной области преобразуются в частотная область с помощью цифрового фильтра. Обычно это включает быстрое преобразование Фурье (БПФ). Боковые лепестки образуются во время обработки сигнала и стратегии подавления боковых лепестков, такой как Оконная функция Дольфа-Чебышева, требуется для уменьшения количества ложных срабатываний.^[1]

Все образцы взяты из Образец 1 период выборки формирует вход для первого набора фильтров. Это первый интервал неопределенного диапазона.

Все образцы взяты из Образец 2 период выборки формирует вход для второго набора фильтров. Это второй интервал неопределенного диапазона.

Это продолжается до тех пор, пока образцы, взятые из Образец N период выборки формирует 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.

Чтобы сигнал можно было квалифицировать как обнаружение, требуется несколько одновременных критериев.

Обнаружение постоянной частоты ложных тревог на выходе БПФ.

Постоянная обработка 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. Существует ячейка под тестом, где окружающие ячейки складываются, умножаются на константу и используются для определения порога.

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

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

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

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 моноимпульсный радар, обработка сигналов идентична для главная доля и гашение боковых лепестков каналы. Это определяет, находится ли объект в главная доля или если он смещен выше, ниже, слева или справа от антенный луч.

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

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

Отсортированные обнаружения обрабатываются с помощью разрешение неоднозначности диапазона алгоритм 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 примерно 3 до 30 кГц. Каждый импульс передачи находится на расстоянии от 5 км до 50 км.

Дальность и скорость цели складываются на операция по модулю производится путем отбора проб.

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.

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

Если средняя разница падает ниже порога, то сигнал замок.

Замок означает, что сигнал подчиняется Ньютоновская механика. 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, такими как 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 можно использовать дополнительную обработку сигнала. Доплеровская обратная связь по скорости должна быть отключена вблизи источника сигнала для получения данных трека.

Трек

Основная статья: Алгоритм отслеживания

Режим отслеживания начинается, когда обнаружение сохраняется в определенном месте.

Во время трека положение рефлектора XYZ определяется с помощью Декартова система координат, и скорость рефлектора по оси XYZ измеряется для прогнозирования будущего положения. Это похоже на работу Фильтр Калмана. Скорость XYZ умножается на время между сканированиями для определения каждой новой точки прицеливания антенны.

Радар использует полярная система 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. 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 фазовая автоподстройка частоты. Это повышает точность и надежность информации о положении и скорости.

Амплитуда и фаза сигнала, возвращаемого отражателем, обрабатывается с использованием моноимпульсный радар техники во время трека. Это измеряет смещение между положением наведения антенны и положением объекта. Это называется угловая ошибка.

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.

Дорожки, на которых обнаруживается объект, называются активные треки.

Если не обнаружено никаких обнаружений, на короткое время продолжается отслеживание. Треки без обнаружения береговые трассы. Информация о скорости используется для оценки положения наведения антенны. Они сбрасываются через короткое время.

Каждый трек окружен 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, попадающие в объем захвата трека с береговым движением, взаимно коррелируются с историей трека близлежащего трека с побережьем. Если положение и скорость совместимы, то история маршрута с выбегом объединяется с новым курсом. Это называется присоединиться к треку.

Новый трек в объеме захвата активного трека называется разделить трек.

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, которые не удовлетворяют Ньютоновская физика.

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.

использованная литература

1. "Окно Дельфа-Чебышева". Стэндфордский Университет. Получено 29 января, 2011.