El procesamiento de señales Pulse-Doppler es una estrategia de mejora del rendimiento del radar y CEUS que permite detectar objetos pequeños de alta velocidad muy cerca de objetos grandes que se mueven lentamente. Son comunes las mejoras de detección del orden de 1.000.000:1. Se pueden identificar pequeños objetos que se mueven rápidamente cerca del terreno, cerca de la superficie del mar y dentro de las tormentas.
Esta estrategia de procesamiento de señales se utiliza en radares Doppler de pulso y radares multimodo, que luego pueden apuntar a regiones que contienen una gran cantidad de reflectores de movimiento lento sin abrumar al software ni a los operadores. Otras estrategias de procesamiento de señales, como la indicación de objetivos en movimiento , son más apropiadas para entornos benignos de cielo azul claro.
También se utiliza para medir el flujo sanguíneo en la ecografía Doppler .
Pulse-Doppler comienza con pulsos coherentes transmitidos a través de una antena o transductor.
No hay modulación en el pulso de transmisión. Cada pulso es una porción perfectamente limpia de un tono perfecto y coherente. El tono coherente es producido por el oscilador local.
Puede haber decenas de impulsos de transmisión entre la antena y el reflector. En un entorno hostil, puede haber millones de otros reflejos de objetos estacionarios o que se mueven lentamente.
Los pulsos de transmisión se envían a la frecuencia de repetición del pulso .
La energía de los pulsos de transmisión se propaga a través del espacio hasta que son interrumpidos por reflectores. Esta interrupción hace que parte de la energía de transmisión se refleje hacia la antena del radar o el transductor, junto con la modulación de fase causada por el movimiento. El mismo tono que se utiliza para generar los pulsos de transmisión también se utiliza para convertir las señales recibidas a banda base .
Se muestrea la energía reflejada que se ha convertido a banda base.
El muestreo comienza después de que se extingue cada pulso de transmisión. Esta es la fase de reposo del transmisor.
La fase de reposo se divide en intervalos de muestra igualmente espaciados. Se recogen muestras hasta que el radar comienza a disparar otro pulso de transmisión.
El ancho de pulso de cada muestra coincide con el ancho de pulso del pulso de transmisión.
Se deben tomar suficientes muestras para que actúen como entrada al filtro Doppler de pulso.
El oscilador local se divide en dos señales desplazadas 90 grados y cada una se mezcla con la señal recibida. Esta mezcla produce I(t) y Q(t). La coherencia de fase de la señal de transmisión es crucial para el funcionamiento del Doppler de pulso. En el diagrama, la parte superior muestra las fases del frente de onda en I/Q.
Cada uno de los discos mostrados en este diagrama representa una única muestra tomada de múltiples pulsos de transmisión, es decir, la misma muestra compensada por el período de transmisión (1/PRF). Este es el rango ambiguo. Cada muestra sería similar pero retrasada uno o más anchos de pulso detrás de los que se muestran. Las señales de cada muestra se componen de señales de reflexiones en múltiples rangos.
El diagrama muestra una espiral en sentido contrario a las agujas del reloj, que corresponde al movimiento entrante. Esto es Doppler ascendente. Down-Doppler produciría una espiral en el sentido de las agujas del reloj.
El proceso de muestreo digital provoca un zumbido en los filtros que se utilizan para eliminar las señales reflejadas de objetos que se mueven lentamente. El muestreo hace que se produzcan lóbulos laterales de frecuencia adyacentes a la señal verdadera para una entrada que es un tono puro. Las ventanas suprimen los lóbulos laterales inducidos por el proceso de muestreo.
La ventana es el número de muestras que se utilizan como entrada para el filtro.
El proceso de ventana toma una serie de constantes complejas y multiplica cada muestra por su constante de ventana correspondiente antes de aplicar la muestra al filtro.
La ventana Dolph-Chebychev proporciona una supresión óptima de los lóbulos laterales de procesamiento.
El procesamiento de señales Pulse-Doppler separa las señales reflejadas en varios filtros de frecuencia. Hay un conjunto de filtros independiente para cada rango ambiguo. Las muestras I y Q descritas anteriormente se utilizan para comenzar el proceso de filtrado.
Estas muestras están organizadas en la matriz m × n de muestras en el dominio del tiempo que se muestra en la mitad superior del diagrama.
Las muestras en el dominio del tiempo se convierten al dominio de la frecuencia mediante un filtro digital. Esto suele implicar una transformada rápida de Fourier (FFT). Los lóbulos laterales se producen durante el procesamiento de señales y se requiere una estrategia de supresión de lóbulos laterales, como la función de ventana de Dolph-Chebyshev , para reducir las falsas alarmas. [1]
Todas las muestras tomadas del período de muestra de la Muestra 1 forman la entrada al primer conjunto de filtros. Este es el primer intervalo de rango ambiguo.
Todas las muestras tomadas del período de muestra de la Muestra 2 forman la entrada al segundo conjunto de filtros. Este es el segundo intervalo de rango ambiguo.
Esto continúa hasta que las muestras tomadas del período de muestra Muestra N forman la entrada al último conjunto de filtros. Este es el intervalo de rango ambiguo más lejano.
El resultado es que cada rango ambiguo producirá un espectro separado correspondiente a todas las frecuencias Doppler en ese rango.
El filtro digital produce tantas salidas de frecuencia como el número de pulsos de transmisión utilizados para el muestreo. La producción de una FFT con 1024 salidas de frecuencia requiere 1024 pulsos de transmisión para la entrada.
El procesamiento de detección para Doppler de pulso produce un rango ambiguo y una velocidad ambigua correspondiente a una de las salidas FFT de una de las muestras de rango. Los reflejos caen en filtros correspondientes a diferentes frecuencias que separan los fenómenos meteorológicos, el terreno y los aviones en diferentes zonas de velocidad en cada rango.
Se requieren múltiples criterios simultáneos antes de que una señal pueda calificar como detección.
El procesamiento constante de la tasa de falsas alarmas se utiliza para examinar cada salida FFT para detectar señales. Se trata de un proceso adaptativo que se adapta automáticamente al ruido de fondo y a las influencias ambientales. Hay una celda bajo prueba , donde las celdas circundantes se suman, se multiplican por una constante y se usan para establecer un umbral.
Se examina el área que rodea la detección para determinar cuándo cambia el signo de la pendiente de a , que es la ubicación de la detección (el máximo local). Las detecciones de un único rango ambiguo se clasifican en orden de amplitud descendente.
La detección solo cubre las velocidades que exceden la configuración de rechazo de velocidad. Por ejemplo, si el rechazo de velocidad se establece en 75 millas/hora, entonces no se detectará el granizo que se mueva a 50 millas/hora dentro de una tormenta, pero sí se detectará una aeronave que se mueva a 100 millas/hora.
Para el radar monopulso , el procesamiento de señales es idéntico para los canales de supresión del lóbulo principal y del lóbulo lateral . Esto identifica si la ubicación del objeto está en el lóbulo principal o si está desplazado por encima, por debajo, a la izquierda o a la derecha del haz de la antena .
Las señales que satisfacen todos estos criterios son detecciones. Estos están ordenados en orden de amplitud descendente (de mayor a menor).
Las detecciones clasificadas se procesan con un algoritmo de resolución de ambigüedad de rango para identificar el verdadero rango y velocidad del reflejo del objetivo.
El radar Doppler de pulsos puede tener 50 o más pulsos entre el radar y el reflector.
Pulse Doppler se basa en una frecuencia de repetición de pulso (PRF) media de aproximadamente 3 kHz a 30 kHz. Cada pulso de transmisión está separado por una distancia de 5 a 50 km.
El alcance y la velocidad del objetivo se suman mediante una operación de módulo producida por el proceso de muestreo.
El rango verdadero se encuentra mediante el proceso de resolución de ambigüedades.
Las señales recibidas de múltiples PRF se comparan mediante el proceso de resolución de ambigüedad de rango.
Las señales recibidas también se comparan mediante el proceso de resolución de ambigüedad de frecuencia.
La velocidad del reflector se determina midiendo el cambio en el alcance del reflector en un corto período de tiempo. Este cambio de rango se divide por el lapso de tiempo para determinar la velocidad.
La velocidad también se encuentra utilizando la frecuencia Doppler para la detección.
Se restan los dos y se promedia brevemente la diferencia.
Si la diferencia promedio cae por debajo de un umbral, entonces la señal es un bloqueo .
Lock significa que la señal obedece a la mecánica newtoniana . Los reflectores válidos producen un bloqueo. Las señales no válidas no lo hacen. Los reflejos no válidos incluyen cosas como las palas de un helicóptero, donde el Doppler no se corresponde con la velocidad a la que el vehículo se mueve en el aire. Las señales no válidas incluyen microondas producidas por fuentes separadas del transmisor, como interferencias y engaños de radar .
Los reflectores que no producen una señal de bloqueo no se pueden rastrear utilizando la técnica convencional. Esto significa que el circuito de retroalimentación debe abrirse para objetos como helicópteros porque el cuerpo principal del vehículo puede estar por debajo de la velocidad de rechazo (solo las palas son visibles).
La transición a seguimiento es automática para las detecciones que producen un bloqueo.
La transición a la pista normalmente es manual para fuentes de señales no newtonianas, pero se puede utilizar un procesamiento de señales adicional para automatizar el proceso. La retroalimentación de velocidad Doppler debe desactivarse en las proximidades de la fuente de señal para desarrollar datos de seguimiento.
El modo de seguimiento comienza cuando se realiza una detección en una ubicación específica.
Durante el seguimiento, la posición XYZ del reflector se determina utilizando un sistema de coordenadas cartesianas y la velocidad XYZ del reflector se mide para predecir la posición futura. Esto es similar al funcionamiento de un filtro Kalman . La velocidad XYZ se multiplica por el tiempo entre escaneos para determinar cada nuevo punto de orientación de la antena.
El radar utiliza un sistema de coordenadas polares . La posición de la pista se utiliza para determinar el punto de mira de izquierda a derecha y de arriba a abajo para la posición de la antena en el futuro. La antena debe apuntar a una posición que pinte el objetivo con la máxima energía y no ser arrastrada detrás de él, de lo contrario el radar será menos efectivo.
La distancia estimada a un reflector se compara con la distancia medida. La diferencia es el error de distancia. El error de distancia es una señal de retroalimentación que se utiliza para corregir la información de posición y velocidad de los datos de la pista.
La frecuencia Doppler proporciona una señal de retroalimentación adicional similar a la retroalimentación utilizada en un bucle de fase bloqueada . Esto mejora la precisión y confiabilidad de la información de posición y velocidad.
La amplitud y fase de la señal devuelta por el reflector se procesa mediante técnicas de radar monopulso durante el seguimiento. Esto mide el desplazamiento entre la posición de orientación de la antena y la posición del objeto. Esto se llama error de ángulo .
Cada objeto por separado debe tener su propia información de seguimiento independiente. Esto se llama historial de seguimiento y se remonta a un breve período de tiempo. Esto podría ser hasta una hora para objetos en el aire. El período de tiempo para los objetos submarinos puede extenderse hasta una semana o más.
Las pistas donde el objeto produce una detección se denominan pistas activas .
La pista se continúa brevemente al no haber detecciones. Los recorridos sin detecciones son recorridos por inercia . La información de velocidad se utiliza para estimar las posiciones de orientación de la antena. Estos se eliminan después de un breve período.
Cada pista tiene un volumen de captura circundante , aproximadamente con la forma de una pelota de fútbol. El radio del volumen de captura es aproximadamente la distancia que el vehículo detectable más rápido puede recorrer entre exploraciones sucesivas de ese volumen, que está determinada por el filtro de paso de banda del receptor en el radar Doppler de pulso.
Los nuevos rastros que caen dentro del volumen de captura de un rastro costero tienen correlación cruzada con el historial de rastros del rastro costero cercano. Si la posición y la velocidad son compatibles, entonces el historial de derrota por inercia se combina con la nueva derrota. Esto se llama pista de unión .
Una nueva pista dentro del volumen de captura de una pista activa se denomina pista dividida .
La información de seguimiento de Pulse-Doppler incluye el área del objeto, los errores, la aceleración y el estado de bloqueo, que forman parte de la lógica de decisión que implica unir y dividir trazados.
Se utilizan otras estrategias para objetos que no satisfacen la física newtoniana .
A los usuarios generalmente se les presentan varias pantallas que muestran información de los datos de la pista y las señales detectadas sin procesar.
El indicador de posición del plan y las notificaciones de desplazamiento son automáticos y no requieren ninguna acción del usuario. Las pantallas restantes se activan para mostrar información adicional solo cuando el usuario selecciona una pista.
![{\displaystyle {\text{Criterio de umbral}}\left\{{\begin{aligned}\mathrm {Cell} (n)>{}&[\mathrm {Cell} (n-2)\\&{}+ \mathrm {Celda} (n-1)\\&{}+\mathrm {Celda} (n+1)\\&{}+\mathrm {Celda} (n+2)]\\&{}\times {\text{Constante}}\end{aligned}}\right.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/96b2d54fe3ac60541b73ef6423a4bd8ae4855865)
![{\displaystyle {\text{Criterio de pico}}{\begin{casos}\left({\frac {\Delta {\text{Amplitud}}}{\Delta {\text{Frecuencia}}}}\right)\ mathrm {Celda} (n-1)<0\\[6pt]\left({\frac {\Delta {\text{Amplitud}}}{\Delta {\text{Frecuencia}}}}\right)\mathrm {Celda} (n+1)>0\end{casos}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/885988d9be1c3e01b28c647decb010eaeb3fe4bb)
