Обработка импульсно-доплеровского сигнала — это стратегия повышения производительности радара и CEUS , которая позволяет обнаруживать небольшие высокоскоростные объекты в непосредственной близости от крупных медленно движущихся объектов. Улучшения обнаружения порядка 1 000 000:1 являются обычным явлением. Небольшие быстро движущиеся объекты могут быть идентифицированы вблизи рельефа, вблизи поверхности моря и внутри штормов.
Эта стратегия обработки сигнала используется в импульсно-доплеровском радаре и многорежимном радаре, которые затем могут быть направлены в области, содержащие большое количество медленно движущихся отражателей, без перегрузки программного обеспечения и операторов. Другие стратегии обработки сигнала, такие как индикация движущихся целей , больше подходят для благоприятных условий ясного голубого неба.
Он также используется для измерения кровотока в допплеровской ультрасонографии .
Импульсный допплер начинается с когерентных импульсов, передаваемых через антенну или преобразователь.
Модуляция на передаваемом импульсе отсутствует. Каждый импульс — это идеально чистый срез идеального когерентного тона. Когерентный тон создается локальным генератором.
Между антенной и рефлектором могут быть десятки импульсов передачи. В агрессивной среде могут быть миллионы других отражений от медленно движущихся или неподвижных объектов.
Передаваемые импульсы посылаются с частотой повторения импульсов .
Энергия от передаваемых импульсов распространяется в пространстве, пока не будет прервана отражателями. Это нарушение приводит к тому, что часть передаваемой энергии отражается обратно к антенне радара или преобразователю, вместе с фазовой модуляцией, вызванной движением. Тот же тон, который используется для генерации передаваемых импульсов, также используется для преобразования полученных сигналов в полосу частот .
Отраженная энергия, преобразованная в базовую полосу, отбирается.
Выборка начинается после того, как каждый передаваемый импульс погашен. Это фаза покоя передатчика.
Фаза покоя делится на равноотстоящие интервалы выборки. Выборки собираются до тех пор, пока радар не начнет посылать другой импульс передачи.
Ширина импульса каждого образца соответствует ширине импульса передачи.
Необходимо отобрать достаточное количество образцов, которые можно будет использовать в качестве входных данных для импульсно-доплеровского фильтра.
Локальный генератор разделяется на два сигнала, которые смещены на 90 градусов, и каждый смешивается с полученным сигналом. Это смешивание производит I(t) и Q(t). Фазовая когерентность передаваемого сигнала имеет решающее значение для работы импульсного Доплера. На диаграмме вверху показаны фазы волнового фронта в I/Q.
Каждый из дисков, показанных на этой диаграмме, представляет собой один образец, взятый из нескольких передаваемых импульсов, т. е. тот же образец, смещенный на период передачи (1/PRF). Это неоднозначный диапазон. Каждый образец будет похож, но задержан на одну или несколько ширин импульса относительно тех, которые показаны. Сигналы в каждом образце состоят из сигналов от отражений на нескольких диапазонах.
На диаграмме показана спираль против часовой стрелки, что соответствует входящему движению. Это восходящий Допплер. Вниз-Допплер создаст спираль по часовой стрелке.
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 входного сигнала, который является чистым тоном. Оконная обработка подавляет боковые лепестки, вызванные процессом выборки.
Окно — это количество образцов, которые используются в качестве входных данных для фильтра.
Оконный процесс берет ряд комплексных констант и умножает каждый образец на соответствующую ему оконную константу, прежде чем образец будет применен к фильтру.
Оконная обработка по методу Дольфа-Чебышева обеспечивает оптимальное подавление боковых лепестков.
Обработка импульсно-доплеровского сигнала 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 матрицу m × n выборок временной области , показанную в верхней половине диаграммы.
Образцы временной области преобразуются в частотную область с помощью цифрового фильтра. Обычно это включает быстрое преобразование Фурье (БПФ). Боковые лепестки производятся во время обработки сигнала, и стратегия подавления боковых лепестков, такая как оконная функция Дольфа-Чебышева , требуется для уменьшения ложных тревог. [1]
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 вход для второго набора фильтров. Это второй неоднозначный интервал диапазона.
Это продолжается до тех пор, пока выборки, взятые из периода выборки Sample N, не сформируют вход 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 выходов, сколько переданных импульсов используется для выборки. Производство одного БПФ с 1024 частотными выходами требует 1024 переданных импульсов для входа.
Обработка обнаружения для импульсного Доплера создает неоднозначный диапазон и неоднозначную скорость, соответствующие одному из выходов FFT из одного из образцов диапазона. Отражения попадают в фильтры, соответствующие различным частотам, которые разделяют погодные явления, рельеф местности и самолеты на различные зоны скорости в каждом диапазоне.
Для того чтобы сигнал можно было считать обнаруженным, необходимо одновременное выполнение нескольких критериев.
Обработка с постоянным коэффициентом ложных тревог используется для проверки каждого выхода FFT с целью обнаружения сигналов. Это адаптивный процесс, который автоматически подстраивается под фоновый шум и влияние окружающей среды. Есть тестируемая ячейка , где окружающие ячейки складываются, умножаются на константу и используются для установления порога.
Область вокруг обнаружения исследуется, чтобы определить, когда знак наклона меняется с на , что является местоположением обнаружения (локальный максимум). Обнаружения для одного неоднозначного диапазона сортируются в порядке убывания амплитуды.
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 самолет, движущийся со скоростью 100 миль/час, будет обнаружен.
Для моноимпульсного радара обработка сигнала идентична для каналов гашения главного лепестка и боковых лепестков . Это позволяет определить, находится ли объект в главном лепестке или он смещен выше, ниже, влево или вправо от антенного луча .
Сигналы, удовлетворяющие всем этим критериям, являются обнаружениями. Они сортируются в порядке убывания амплитуды (от наибольшей к наименьшей).
Отсортированные обнаружения обрабатываются с помощью алгоритма разрешения неоднозначности дальности для определения истинной дальности и скорости отражения цели.
Импульсный доплеровский радар может иметь 50 и более импульсов между радаром и отражателем.
Импульсный допплер использует среднюю частоту повторения импульсов (PRF) от 3 кГц до 30 кГц. Каждый передаваемый импульс отделен расстоянием от 5 км до 50 км.
Дальность и скорость цели складываются с помощью модульной операции, производимой в процессе выборки.
Истинный диапазон определяется с помощью процесса разрешения неоднозначности.
Полученные сигналы от нескольких PRF сравниваются с использованием процесса разрешения неоднозначности дальности.
Полученные сигналы также сравниваются с использованием процесса разрешения неоднозначности частоты.
Скорость отражателя определяется путем измерения изменения дальности отражателя за короткий промежуток времени. Это изменение дальности делится на промежуток времени для определения скорости.
Скорость также определяется с использованием доплеровской частоты для обнаружения.
Эти два значения вычитаются, а разница быстро усредняется.
Если средняя разница оказывается ниже порогового значения, то сигнал является замком .
Блокировка означает, что сигнал подчиняется ньютоновской механике . Действительные отражатели создают блокировку. Недействительные сигналы — нет. Недействительные отражения включают такие вещи, как лопасти вертолета, где Доплеровский эффект не соответствует скорости, с которой транспортное средство движется по воздуху. Недействительные сигналы включают микроволны, создаваемые источниками, отдельными от передатчика, такими как помехи радаров и обман .
Отражатели, которые не выдают сигнал блокировки, не могут отслеживаться с помощью обычной техники. Это означает, что для таких объектов, как вертолеты, необходимо открыть петлю обратной связи, поскольку основная часть транспортного средства может находиться ниже скорости отклонения (видны только лопасти).
Переход на отслеживание происходит автоматически для обнаружений, приводящих к блокировке.
Переход к треку обычно осуществляется вручную для неньютоновских источников сигнала, но для автоматизации процесса может использоваться дополнительная обработка сигнала. Для разработки данных трека необходимо отключить доплеровскую обратную связь по скорости вблизи источника сигнала.
Режим отслеживания включается, когда обнаружение продолжается в определенном месте.
Во время отслеживания положение XYZ отражателя определяется с использованием декартовой системы координат , а скорость XYZ отражателя 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 траектории используется для определения точки прицеливания влево-вправо и вверх-вниз для положения антенны в будущем. Антенна должна быть направлена в положение, которое будет окрашивать цель с максимальной энергией, а не тащиться за ней, в противном случае радар будет менее эффективен.
Расчетное расстояние до отражателя сравнивается с измеренным расстоянием. Разница — это ошибка расстояния. Ошибка расстояния — это сигнал обратной связи, используемый для коррекции информации о положении и скорости для данных трека.
Частота Доплера обеспечивает дополнительный сигнал обратной связи, аналогичный обратной связи, используемой в фазовой автоподстройке частоты . Это повышает точность и надежность информации о положении и скорости.
Амплитуда и фаза сигнала, возвращаемого отражателем, обрабатываются с использованием методов моноимпульсной радиолокации во время отслеживания. Это измеряет смещение между позицией наведения антенны и положением объекта. Это называется угловой ошибкой .
Каждый отдельный объект должен иметь свою собственную независимую информацию о треке. Это называется историей трека, и она простирается на короткий промежуток времени. Это может быть целый час для воздушных объектов. Временной промежуток для подводных объектов может простираться на неделю или больше.
Треки, на которых объект производит обнаружение, называются активными треками .
Трек продолжается в течение короткого времени при отсутствии каких-либо обнаружений. Треки без обнаружений являются инерционными . Информация о скорости используется для оценки позиций наведения антенны. Они сбрасываются после короткого периода.
Каждый трек имеет окружающий объем захвата , примерно в форме футбольного мяча. Радиус объема захвата приблизительно равен расстоянию, 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 выбегающего трека, перекрестно коррелируются с историей трека близлежащего выбегающего трека. Если положение и скорость совместимы, то история выбегающего трека объединяется с новым треком. Это называется присоединенным треком .
Новая дорожка в пределах области захвата активной дорожки называется разделенной дорожкой .
Информация о треке импульсного допплера включает область объекта, ошибки, ускорение и состояние блокировки, которые являются частью логики принятия решений, включающей объединение треков и разделение треков.
Для объектов, не удовлетворяющих законам ньютоновской физики , используются другие стратегии .
Пользователям обычно предоставляется несколько дисплеев, на которых отображается информация из данных трека и необработанных обнаруженных сигналов.
Индикатор положения плана и уведомления о прокрутке являются автоматическими и не требуют никаких действий пользователя. Остальные дисплеи активируются для отображения дополнительной информации только при выборе трека пользователем.
![{\displaystyle {\text{Пороговый критерий}}\left\{{\begin{aligned}\mathrm {Ячейка} (n)>{}&[\mathrm {Ячейка} (n-2)\\&{}+\mathrm {Ячейка} (n-1)\\&{}+\mathrm {Ячейка} (n+1)\\&{}+\mathrm {Ячейка} (n+2)]\\&{}\times {\text{Константа}}\end{aligned}}\right.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/96b2d54fe3ac60541b73ef6423a4bd8ae4855865)
![{\displaystyle {\text{Пиковый критерий}}{\begin{cases}\left({\frac {\Delta {\text{Амплитуда}}}{\Delta {\text{Частота}}}}\right)\mathrm {Ячейка} (n-1)<0\\[6pt]\left({\frac {\Delta {\text{Амплитуда}}}{\Delta {\text{Частота}}}}\right)\mathrm {Ячейка} (n+1)>0\end{cases}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/885988d9be1c3e01b28c647decb010eaeb3fe4bb)
