El procesamiento de señales de pulso Doppler es una estrategia de mejora del rendimiento del radar y de la CEUS que permite detectar objetos pequeños de alta velocidad en proximidad cercana a objetos grandes de movimiento lento. Las mejoras de detección del orden de 1.000.000:1 son comunes. Los objetos pequeños de movimiento rápido se pueden identificar 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 pulsos y radares multimodo, que pueden apuntar a regiones que contienen una gran cantidad de reflectores de movimiento lento sin sobrecargar el software informático 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 .
El pulso Doppler comienza con pulsos coherentes transmitidos a través de una antena o transductor.
No hay modulación en el pulso de transmisión. Cada pulso es un fragmento perfectamente limpio de un tono perfectamente coherente. El tono coherente lo produce el oscilador local.
Puede haber docenas de pulsos de transmisión entre la antena y el reflector. En un entorno hostil, puede haber millones de otros reflejos de objetos que se mueven lentamente o están estacionarios.
Los pulsos de transmisión se envían a la frecuencia de repetición de pulsos .
La energía de los pulsos de transmisión se propaga a través del espacio hasta que los reflectores la interrumpen. Esta interrupción hace que parte de la energía de transmisión se refleje de vuelta a la antena o al transductor del radar, 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 muestreo espaciados de manera uniforme. 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 para el filtro de pulso Doppler.
El oscilador local se divide en dos señales que están desfasadas 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 pulso Doppler. En el diagrama, la parte superior muestra las fases del frente de onda en I/Q.
Cada uno de los discos que se muestran en este diagrama representa una sola muestra tomada de múltiples pulsos de transmisión, es decir, la misma muestra desplazada por el período de transmisión (1/PRF). Este es el rango ambiguo. Cada muestra sería similar, pero retrasada por uno o más anchos de pulso con respecto a las que se muestran. Las señales en cada muestra están compuestas de señales de reflexiones en múltiples rangos.
El diagrama muestra una espiral en sentido antihorario, que corresponde al movimiento entrante. Esto es Doppler ascendente. El Doppler descendente produciría una espiral en sentido horario.
El proceso de muestreo digital produce un zumbido en los filtros que se utilizan para eliminar las señales reflejadas de los 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. El efecto ventana suprime los lóbulos laterales inducidos por el proceso de muestreo.
La ventana es el número de muestras que se utilizan como entrada al filtro.
El proceso de ventana toma una serie de constantes complejas y multiplica cada muestra por su constante de ventana correspondiente antes de que la muestra se aplique al filtro.
El sistema de ventanas Dolph-Chebychev proporciona una supresión óptima de los lóbulos laterales del procesamiento.
El procesamiento de señales Doppler de pulsos separa las señales reflejadas en una serie de filtros de frecuencia. Existe un conjunto independiente de filtros para cada rango ambiguo. Las muestras I y Q descritas anteriormente se utilizan para iniciar el proceso de filtrado.
Estas muestras están organizadas en la matriz m × n de muestras del dominio del tiempo que se muestra en la mitad superior del diagrama.
Las muestras del 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 la señal 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 muestreo 1 forman la entrada del primer conjunto de filtros. Este es el primer intervalo de rango ambiguo.
Todas las muestras tomadas del período de muestreo 2 forman la entrada del segundo conjunto de filtros. Este es el segundo intervalo de rango ambiguo.
Esto continúa hasta que las muestras tomadas del período de muestra N forman la entrada del 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 la cantidad 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 por pulso Doppler produce un rango ambiguo y una velocidad ambigua correspondiente a una de las salidas FFT de una de las muestras de rango. Las reflexiones caen en filtros correspondientes a diferentes frecuencias que separan los fenómenos meteorológicos, el terreno y las aeronaves en diferentes zonas de velocidad en cada rango.
Se requieren múltiples criterios simultáneos antes de que una señal pueda calificar como detección.
Se utiliza un procesamiento de tasa de falsas alarmas constante para examinar cada salida FFT y detectar señales. Se trata de un proceso adaptativo que se ajusta 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 utilizan para establecer un umbral.
Se examina el área que rodea la detección para determinar cuándo el signo de la pendiente cambia de a , que es la ubicación de la detección (el máximo local). Las detecciones para un único rango ambiguo se clasifican en orden descendente de amplitud.
La detección solo cubre las velocidades que superan la configuración de rechazo de velocidad. Por ejemplo, si el rechazo de velocidad se establece en 75 millas por hora, no se detectará el granizo que se mueva a 50 millas por hora dentro de una tormenta eléctrica, pero sí se detectará un avión que se mueva a 100 millas por hora.
En el caso del radar monopulso , el procesamiento de la señal 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. Se clasifican en orden descendente de amplitud (de mayor a menor).
Las detecciones ordenadas se procesan con un algoritmo de resolución de ambigüedad de rango para identificar el verdadero rango y la velocidad del reflejo del objetivo.
El radar Doppler de pulso puede tener 50 o más pulsos entre el radar y el reflector.
El Doppler de pulso se basa en una frecuencia de repetición de pulsos (PRF) media de aproximadamente 3 kHz a 30 kHz. Cada pulso de transmisión está separado por una distancia de entre 5 km y 50 km.
El alcance y la velocidad del objetivo se duplican mediante una operación de módulo producida por el proceso de muestreo.
El rango real se encuentra utilizando el proceso de resolución de ambigüedad.
Las señales recibidas de múltiples PRF se comparan utilizando el proceso de resolución de ambigüedad de rango.
Las señales recibidas también se comparan utilizando el proceso de resolución de ambigüedad de frecuencia.
La velocidad del reflector se determina midiendo el cambio en el rango del reflector durante un breve período de tiempo. Este cambio en el rango se divide por el período 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 .
El bloqueo significa que la señal obedece a la mecánica newtoniana . Los reflectores válidos producen un bloqueo. Las señales no válidas no lo hacen. Las reflexiones no válidas incluyen cosas como las palas de un helicóptero, donde el efecto Doppler no se corresponde con la velocidad a la que se mueve el vehículo en el aire. Las señales no válidas incluyen microondas producidas por fuentes independientes del transmisor, como interferencias y engaños de radar .
Los reflectores que no producen una señal de bloqueo no se pueden rastrear con 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 se ven las aspas).
La transición a pista es automática para las detecciones que producen un bloqueo.
La transición a la trayectoria normalmente es manual para las fuentes de señales no newtonianas, pero se puede utilizar un procesamiento de señal adicional para automatizar el proceso. La retroalimentación de velocidad Doppler debe desactivarse en las proximidades de la fuente de señal para desarrollar datos de trayectoria.
El modo de seguimiento comienza cuando se mantiene una detección en una ubicación específica.
Durante el seguimiento, la posición XYZ del reflector se determina utilizando un sistema de coordenadas cartesianas y se mide la velocidad XYZ del reflector para predecir la posición futura. Esto es similar al funcionamiento de un filtro Kalman . La velocidad XYZ se multiplica por el tiempo entre exploraciones 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 futura de la antena. La antena debe apuntar a la posición que pintará el objetivo con la máxima energía y no arrastrarse detrás de él, de lo contrario el radar será menos efectivo.
La distancia estimada hasta 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 enganche de fase . Esto mejora la precisión y la fiabilidad de la información de posición y velocidad.
La amplitud y la fase de la señal devuelta por el reflector se procesan mediante técnicas de radar monopulso durante el seguimiento. Esto mide el desfase entre la posición de apuntamiento de la antena y la posición del objeto. Esto se denomina error de ángulo .
Cada objeto debe tener su propia información de seguimiento independiente. Esto se denomina historial de seguimiento y se remonta a un breve período de tiempo. Puede ser hasta una hora en el caso de los objetos aéreos. El período de tiempo en el caso de los objetos submarinos puede remontarse a una semana o más.
Las pistas en las que el objeto produce una detección se denominan pistas activas .
La pista continúa brevemente en ausencia de detecciones. Las pistas sin detecciones son pistas de navegación por inercia . La información de velocidad se utiliza para estimar las posiciones de orientación de la antena. Estas se descartan después de un breve período.
Cada pista tiene un volumen de captura circundante , aproximadamente con la forma de un balón de fútbol. El radio del volumen de captura es aproximadamente la distancia que puede recorrer el vehículo más rápido detectable entre exploraciones sucesivas de ese volumen, que está determinada por el filtro de paso de banda del receptor en el radar Doppler de pulsos.
Las nuevas pistas que se encuentran dentro del volumen de captura de una pista de desvío se correlacionan de forma cruzada con el historial de pistas de la pista de desvío cercana. Si la posición y la velocidad son compatibles, el historial de pistas de desvío se combina con la nueva pista. Esto se denomina pista de unión .
Una nueva pista dentro del volumen de captura de una pista activa se denomina pista dividida .
La información de la pista de pulso Doppler incluye el área del objeto, los errores, la aceleración y el estado de bloqueo, que son parte de la lógica de decisión que implica unir pistas y dividir pistas.
Se utilizan otras estrategias para objetos que no satisfacen la física newtoniana .
Generalmente, a los usuarios 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 plano 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 {Celda} (n)>{}&[\mathrm {Celda} (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{cases}\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{cases}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/885988d9be1c3e01b28c647decb010eaeb3fe4bb)
