Puls-Doppler signalbehandling

Puls-Doppler-signalbehandling är en radar- och CEUS -prestandaförbättringsstrategi som gör att små höghastighetsobjekt kan detekteras i närheten av stora långsamt rörliga objekt. Detektionsförbättringar i storleksordningen 1 000 000:1 är vanliga. Små snabbrörliga föremål kan identifieras nära terräng, nära havsytan och inne i stormar.

Denna signalbehandlingsstrategi används i puls-Doppler-radar och multi-mode radar, som sedan kan pekas in i regioner som innehåller ett stort antal långsamma reflektorer utan överväldigande datorprogramvara och operatörer. Andra signalbehandlingsstrategier, som indikering av rörliga mål , är mer lämpliga för miljöer med godartad klarblå himmel.

Det används också för att mäta blodflödet i Doppler-ultraljud .

Miljö

Puls-Doppler-signalbehandling börjar med sampel som tas mellan flera sändningspulser. Exempelstrategi utökad för en sändningspuls visas.

Puls-Doppler börjar med koherenta pulser som sänds genom en antenn eller givare.

Det finns ingen modulering på sändningspulsen. Varje puls är en perfekt ren skiva av en perfekt sammanhängande ton. Den koherenta tonen produceras av lokaloscillatorn.

Det kan finnas dussintals sändningspulser mellan antennen och reflektorn. I en fientlig miljö kan det finnas miljontals andra reflektioner från långsamma eller stillastående föremål.

Sändningspulser skickas med pulsrepetitionsfrekvensen .

Energi från sändningspulserna fortplantar sig genom rymden tills de störs av reflektorer. Denna störning gör att en del av sändningsenergin reflekteras tillbaka till radarantennen eller givaren, tillsammans med fasmodulering orsakad av rörelse. Samma ton som används för att generera sändningspulserna används också för att nedkonvertera de mottagna signalerna till basband .

Den reflekterade energin som har nedkonverterats till basband samplas.

Samplingen börjar efter att varje sändningspuls har släckts. Detta är sändarens vilofas.

Den vilande fasen är uppdelad i lika fördelade provintervall. Prover samlas in tills radarn börjar avge ytterligare en sändningspuls.

Pulsbredden för varje prov matchar pulsbredden för sändningspulsen.

Tillräckligt med prover måste tas för att fungera som ingång till puls-Doppler-filtret.

Provtagning

Puls-Doppler-signalbehandling börjar med I- och Q-sampel.

Lokaloscillatorn delas upp i två signaler som är förskjutna med 90 grader, och var och en blandas med den mottagna signalen. Denna blandning ger I(t) och Q(t). Faskoherensen hos sändningssignalen är avgörande för puls-Doppler-drift. I diagrammet visar toppen faser av vågfronten i I/Q.

Var och en av skivorna som visas i detta diagram representerar ett enda sampel taget från flera sändningspulser, dvs samma sampel förskjuten av sändningsperioden (1/PRF). Detta är det tvetydiga intervallet. Varje prov skulle vara liknande men fördröjt med en eller flera pulsbredder bakom de som visas. Signalerna i varje sampel är sammansatta av signaler från reflektioner vid flera intervall.

Diagrammet visar en moturs spiral, som motsvarar inkommande rörelse. Det här är upp-Doppler. Ned-Doppler skulle producera en medurs spiral.

Fönster

Processen med digital sampling orsakar ringningar i filtren som används för att ta bort reflekterade signaler från långsamt rörliga objekt. Sampling gör att frekvenssidolober produceras intill den sanna signalen för en ingång som är en ren ton. Windowing undertrycker sidolober som induceras av provtagningsprocessen.

Fönstret är antalet sampel som används som indata till filtret.

Fönsterprocessen tar en serie komplexa konstanter och multiplicerar varje sampel med dess motsvarande fönsterkonstant innan provet appliceras på filtret.

• Detaljerad förklaring av fönster

Dolph-Chebychev-fönster ger optimal undertryckning av sidoloben för bearbetning.

Filtrering

Puls-Doppler signalbehandling. Range Sample- axeln representerar individuella sampel tagna mellan varje sändningspuls. Pulsintervallaxeln representerar varje successivt sändningspulsintervall under vilket sampel tas . Den snabba Fourier-transformationsprocessen omvandlar tidsdomänsampler till frekvensdomänspektra. Detta kallas ibland nagelbädden .

Puls-Doppler-signalbehandling separerar reflekterade signaler i ett antal frekvensfilter. Det finns en separat uppsättning filter för varje tvetydigt område. I- och Q - samplen som beskrivs ovan används för att påbörja filtreringsprocessen.

Dessa sampel är organiserade i m × n -matrisen av tidsdomänsampel som visas i den övre halvan av diagrammet.

Tidsdomänsampler konverteras till frekvensdomän med hjälp av ett digitalt filter. Detta involverar vanligtvis en snabb Fourier-transform (FFT). Sidolober produceras under signalbehandling och en sidolobsundertryckningsstrategi, såsom Dolph-Chebyshev-fönsterfunktion , krävs för att minska falsklarm.

Alla prover som tagits från prov 1- provperioden bildar ingången till den första uppsättningen filter. Detta är det första tvetydiga intervallintervallet.

Alla prover som tagits från prov 2- provperioden bildar ingången till den andra uppsättningen filter. Detta är det andra tvetydiga intervallintervallet.

Detta fortsätter tills prov tagna från prov N -provperioden bildar ingången till den sista uppsättningen filter. Detta är det mest tvetydiga intervallet.

Resultatet är att varje tvetydigt område kommer att producera ett separat spektrum som motsvarar alla Doppler-frekvenserna i det området.

Det digitala filtret producerar lika många frekvensutgångar som antalet sändningspulser som används för sampling. Produktion av en FFT med 1024 frekvensutgångar kräver 1024 sändningspulser för ingång.

Upptäckt

Detektionsbearbetning för puls-Doppler producerar ett tvetydigt avstånd och en tvetydig hastighet som motsvarar en av FFT-utgångarna från ett av avståndssamplen. Reflexerna faller in i filter som motsvarar olika frekvenser som separerar väderfenomen, terräng och flygplan i olika hastighetszoner vid varje intervall.

Flera samtidiga kriterier krävs innan en signal kan kvalificera sig som en detektering.

Detektering av konstant falskt larmfrekvens utförd på FFT-utgång.

Bearbetning av konstant falsklarmfrekvens används för att undersöka varje FFT-utgång för att detektera signaler. Detta är en adaptiv process som automatiskt anpassar sig till bakgrundsljud och miljöpåverkan. Det finns en cell som testas , där de omgivande cellerna adderas, multipliceras med en konstant och används för att fastställa en tröskel.

${\text{Tröskelkriterium}}\left\{{\begin{aligned}\mathrm {Cell} (n)>{}&[\mathrm {Cell} (n-2)\\ &{}+\mathrm {Cell} (n-1)\\&{}+\mathrm {Cell} (n+1)\\&{}+\mathrm {Cell} (n+2)]\\& {}\ gånger {\text{Konstant}}\end{aligned}}\right.$

Området som omger detekteringen undersöks för att bestämma när tecknet för lutningen ändras från $+$ till $-$ , vilket är platsen för detekteringen (det lokala maximum). Detektioner för ett enda tvetydigt område sorteras i ordning efter fallande amplitud.

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

Detektering täcker endast de hastigheter som överskrider hastighetsavvisningsinställningen. Till exempel, om hastighetsavvisning är inställd på 75 mil/timme, kommer inte hagel som rör sig med 50 mil/timme i ett åskväder att upptäckas, men ett flygplan som rör sig i 100 mil/timme kommer att upptäckas.

${\text{Hastighetskriterium}}{\begin{cases}\left({\frac {C\ gånger {\text{Dopplerfrekvens}} }{2\ gånger {\text{Sändningsfrekvens}}}}\right)>{\text{Avvisning}}\end{fall}}$

För monopulsradar är signalbehandlingen identisk för huvudlobs- och sidolobssläckningskanalerna . Detta identifierar om objektets placering är i huvudloben eller om den är förskjuten ovanför, under, till vänster eller höger om antennstrålen .

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

Signaler som uppfyller alla dessa kriterier är detektioner. Dessa sorteras i ordning efter fallande amplitud (störst till minst).

De sorterade detekteringarna behandlas med en upplösningsalgoritm för avståndsambiguitet för att identifiera målreflektionens verkliga avstånd och hastighet.

Tvetydighetsupplösning

Puls-Doppler tvetydighetszoner. Varje blå zon utan etikett representerar en kombination av hastighet/intervall som kommer att vikas in i den entydiga zonen. Områden utanför de blå zonerna är blinda intervall och blinda hastigheter, som fylls i med hjälp av multipel PRF och frekvensagility.

Pulsdopplerradar kan ha 50 eller fler pulser mellan radarn och reflektorn.

Puls Doppler förlitar sig på medium pulsrepetition frequency (PRF) från cirka 3 kHz till 30 kHz. Varje sändningspuls separeras med 5 km till 50 km avstånd.

Målets räckvidd och hastighet viks av en modulo-operation som produceras av samplingsprocessen.

Sant intervall hittas med hjälp av tvetydighetsupplösningsprocessen.

• Förklaring av process för tvetydighetslösning

De mottagna signalerna från flera PRF jämförs med användning av avståndsambiguitetsupplösningsprocessen.

• Förklaring av process för intervalltvetydighetsupplösning

De mottagna signalerna jämförs också med användning av frekvenstvetydighetsupplösningsprocessen.

• Förklaring av process för upplösning av frekvenstvetydighet

Låsa

Reflektorns hastighet bestäms genom att mäta förändringen i reflektorns intervall under en kort tidsrymd. Denna förändring i räckvidd delas med tidsintervallet för att bestämma hastigheten.

Hastigheten hittas också med hjälp av dopplerfrekvensen för detektion.

De två subtraheras och skillnaden beräknas kort.

${\text{Låskriterier}}{\begin{cases}\mathrm {\left({\frac {\ Delta R}{\Delta T}}\right)-\left({\frac {C\times {\text{Doppler Frequency}}}{2\times {\text{Sändningsfrekvens}}}}\right)< {\text{Tröskel}}} \end{cases}}$

Om medelskillnaden faller under ett tröskelvärde är signalen ett lås .

Lås betyder att signalen lyder Newtonsk mekanik . Giltiga reflexer ger ett lås. Ogiltiga signaler gör det inte. Ogiltiga reflektioner inkluderar saker som helikopterblad, där Doppler inte överensstämmer med hastigheten som fordonet rör sig genom luften. Ogiltiga signaler inkluderar mikrovågor gjorda av källor som är separata från sändaren, såsom radarstörning och bedrägeri .

Reflektorer som inte producerar en låssignal kan inte spåras med konventionell teknik. Detta innebär att återkopplingsslingan måste öppnas för föremål som helikoptrar eftersom fordonets huvudkropp kan vara under avvisningshastigheten (endast bladen är synliga).

Övergång till spår är automatisk för detekteringar som producerar ett lås.

Övergång till spår är normalt manuellt för icke-newtonska signalkällor, men ytterligare signalbehandling kan användas för att automatisera processen. Dopplerhastighetsåterkoppling måste inaktiveras i närheten av signalkällan för att utveckla spårdata.

Spår

Huvudartikel: Spåralgoritm

Spårläget börjar när en detektering upprätthålls på en specifik plats.

Under spåret bestäms XYZ-positionen för reflektorn med användning av ett kartesiskt koordinatsystem , och XYZ-hastigheten för reflektorn mäts för att förutsäga framtida position. Detta liknar funktionen hos ett Kalman-filter . XYZ-hastigheten multipliceras med tiden mellan skanningarna för att bestämma varje ny siktpunkt för antennen.

Radarn använder ett polärt koordinatsystem . Spårpositionen används för att bestämma siktpunkten vänster-höger och upp-ned för antennpositionen i framtiden. Antennen måste riktas mot den position som målar målet med maximal energi och inte dras bakom den, annars blir radarn mindre effektiv.

Det uppskattade avståndet till en reflektor jämförs med det uppmätta avståndet. Skillnaden är avståndsfelet. Avståndsfel är en återkopplingssignal som används för att korrigera positions- och hastighetsinformationen för spårdata.

Dopplerfrekvensen ger en ytterligare återkopplingssignal som liknar den återkoppling som används i en faslåst slinga . Detta förbättrar noggrannheten och tillförlitligheten för positions- och hastighetsinformationen.

Amplituden och fasen för signalen som returneras av reflektorn bearbetas med användning av monopulsradartekniker under spåret. Detta mäter förskjutningen mellan antennens pekposition och objektets position. Detta kallas vinkelfel .

Varje separat objekt måste ha sin egen oberoende spårinformation. Detta kallas spårhistorik, och det sträcker sig tillbaka under en kort tidsperiod. Detta kan vara så mycket som en timme för luftburna föremål. Tidsperioden för undervattensobjekt kan sträcka sig tillbaka en vecka eller mer.

Spår där objektet producerar en detektering kallas aktiva spår .

Spåret fortsätter kort i frånvaro av några upptäckter. Spår utan detektering är utrullade spår . Hastighetsinformationen används för att uppskatta antennriktningspositioner. Dessa tas bort efter en kort period.

Varje spår har en omgivande fångstvolym , ungefär i form av en fotboll. Infångningsvolymens radie är ungefär det avstånd det snabbaste detekterbara fordonet kan färdas mellan på varandra följande skanningar av den volymen, vilket bestäms av mottagarbandpassfiltret i puls-Dopplerradar.

Nya spår som faller inom fångstvolymen för ett utskjutet spår är korskorrelerade med spårhistoriken för det närliggande kustspåret. Om position och hastighet är kompatibla, kombineras den utrullade spårhistoriken med den nya banan. Detta kallas ett sammanfogningsspår .

Ett nytt spår inom inspelningsvolymen för ett aktivt spår kallas ett delat spår .

Puls-Doppler-spårinformation inkluderar objektarea, fel, acceleration och låstillstånd, som är en del av beslutslogiken som involverar sammanfogningsspår och delade spår.

Andra strategier används för objekt som inte uppfyller newtonsk fysik .

Användare presenteras i allmänhet med flera displayer som visar information från spårdata och råupptäckta signaler.

• Planlägesindikator
• Rulla aviseringar för nya spår, delade spår och gå med i spår
• Avståndsamplitudvisning
• Räckviddshöjdindikator
• Visning av vinkelfel

Planpositionsindikatorn och rullningsmeddelanden är automatiska och kräver ingen användaråtgärd. De återstående displayerna aktiveras för att visa ytterligare information endast när ett spår har valts av användaren.