BRPI0922352B1 - Sistema de vigilância para a detecção de alvos compreendendo uma antena de radar montada em uma pá de um moinho de vento - Google Patents

Sistema de vigilância para a detecção de alvos compreendendo uma antena de radar montada em uma pá de um moinho de vento Download PDF

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Abstract

sistema de vigilância compreendendo uma antena de radar montada em uma pá de um moinho de vento. é mostrado um sistema de vígílâncía para a detecção de alvos. o sistema compreende uma antena de radar montada em uma pá de um moinho de vento.

Description

[001] A presente invenção se refere a um sistema de vigilância que compreende uma antena de radar montada em uma pá de um moinho de vento. A invenção é mais particularmente aplicável ao dominio de vigilância.
[002] Alguns sistemas asseguram a vigilância de grandes áreas de ar / mar / terra com a finalidade de detecção de objetos tais como aeronaves, embarcações ou veiculos, estejam eles em movimento ou não. Basicamente, eles consistem em uma rede de sistemas de radar. Embora as técnicas existentes se concentrem na determinação de forma acurada do alcance, isto é, da distância dos objetos detectados em relação ao radar, é uma questão que permanece estimar melhor a distância entre os objetos detectados, o assim denominado "alcance cruzado". De fato, os sistemas de vigilância existentes proveem uma resolução de alcance cruzado baixa.
[003] As técnicas de radar de abertura sintética (SAR) eram usadas no passado em uma tentativa de se estimar o alcance cruzado entre objetos estáticos para a formação de imagem de grandes áreas de terreno pelo uso de radares móveis. Nestas técnicas, a assim denominada "faixa" ("swath") é a área na qual o alcance cruzado entre dois objetos pode ser estimado.
[004] Klausing e Keydel mostraram um SAR rotativo (ROSAR) montado nas pás rotativas de um helicóptero para a formação de imagem do terreno ("Feasibility of SAR with rotating antennas", 1990, IEEE International Radar Conference, pp. 51-56) . Em Klausing e Keydel, a faixa (swath) é uma área em formato de anel iluminada pelo feixe de radar, se o helicóptero voar em uma posição estacionária. Klausing e Keydel também mostram um algoritmo adaptado para a faixa (swath) em formato de anel. Um grande inconveniente é que é dificil fazer um helicóptero voar em uma localização estacionária verdadeira.
[005] Soumekh mostrou um SAR circular (CSAR) montado sob um avião voando em um circulo para a formação de imagem do terreno ("Reconnaissance with Slant Plane Circular SAR Imaging", 1996, IEEE Transactions on Image Processing, V5/no8, pp. 1252-1265). Em Soumekh, a faixa (swath) é uma área em formato de disco iluminada pelo feixe de radar, se o avião voar sempre no mesmo circulo. Soumekh também mostra um algoritmo adaptado para a faixa (swath) em formato de disco. Um grande inconveniente é que é dificil voar em um circulo verdadeiro em altitude e velocidade constantes.
[006] Infelizmente, nenhuma das soluções existentes é adaptada para garantir a vigilância de uma área grande, nem adaptada para prover uma vigilância permanente, nem adaptada para se estimar de forma acurada o alcance cruzado entre objetos separados na dimensão vertical, tais como aeronaves.
[007] O pedido de patente US 2008/0260531 Al descreve um método para regular a instalação de energia de vento.
[008] É um objetivo da presente invenção prover um sistema de vigilância adaptado para grandes áreas de ar / mar / terra com alta resolução de alcance cruzado, o qual pode ser usado para se suplantarem pelo menos alguns dos inconvenientes descritos acima. Assim, a presente invenção basicamente propõe montar uma antena de SAR em uma pá de moinho de vento, abaixo denominado "moinho de vento - SAR" de acordo com a invenção, de modo a se melhorar a resolução de alcance cruzado em azimute e elevação entre alvos no ar, em terra e no mar. Isto é motivado por um número descente de moinhos de vento em conjunto com suas alturas convenientes e conhecido movimento circular. Uma outra razão é que os moinhos de vento estão disponíveis nestas áreas que precisam de reconhecimento e vigilância de segurança e/ou aplicações militares. Em seu aspecto mais geral, a invenção propõe um sistema de vigilância para a detecção de alvos, o sistema compreendendo uma antena de radar montada em uma pá de um moinho.
[009] Em uma modalidade preferida, o sistema pode compreender meios para a aplicação de uma técnica de radar de abertura sintética, quando a pá roda, a faixa (swath) do radar de abertura sintética assim formado sendo um circulo em um plano vertical.
[0010] Por exemplo, o radar pode ser um radar de onda continua de frequência modulada (FMCW) ou um radar de pulso pulsando um chirp linear.
[0011] Vantajosamente, a fase do eco recebido quando a forma de onda é refletida pelos alvos nas vizinhanças da faixa (swath) pode formar uma função de Green, o sistema compreendendo meios para a aplicação de um algoritmo ω-k com transformada de Fourier da função de Green, de modo a se estabelecer uma imagem de alcance cruzado contendo os alvos e azimute e elevação estimados a partir da antena até cada alvo. O sistema pode compreender meios para o cálculo, com base em azimute e elevação até cada alvo, do alcance cruzado entre os alvos.
[0012] Vantajosamente, uma antena de radar pode ser montada em cada pá do moinho de vento ou em cada pá de cada moinho de vento de uma usina eólica ou pode ser montado em cada pá de cada moinho de vento localizado em uma borda da usina eólica.
[0013] Assim, uma vantagem provida pela presente invenção é que ela torna possível construir facilmente um sistema de vigilância de área permanente e muito grande, com base no número de usinas eólicas existentes. A área observada pode se expandir na mesma taxa alta que o número de usinas eólicas. Mais ainda, a faixa (swath) é vertical, assim se permitindo estimar o alcance cruzado entre alvos separados na dimensão vertical, enquanto quase simultaneamente permite estimar o alcance horizontal a partir do moinho de vento até os alvos, em virtude de um processamento "não de SAR" normal. Um alcance cruzado melhorado entre alvos também significa melhorar a classificação do alvo.
[0014] Os exemplos não limitativos da invenção são descritos abaixo, com referência aos desenhos associados, nos quais:
[0015] - a figura 1 ilustra esquematicamente a geometria de um radar SAR de exemplo, de acordo com a invenção;
[0016] - a figura 2 ilustra esquematicamente um esquema de blocos de exemplo de acordo com a invenção implementado em um radar de pulso.
[0017] Nas figuras, símbolos de referência iguais são atribuídos a itens iguais.
[0018] A figura 1 ilustra esquematicamente a geometria de um moinho de vento - SAR de exemplo de acordo com a invenção. 0 conhecimento do movimento de alvo - antena relativo é essencial nas técnicas de SAR. Contudo, a priori ele pode ser desconhecido ou determinado de forma ruim, especialmente com alvos não cooperativos. Em um sistema de radar como esse de acordo com a invenção, o movimento de antena é conhecido e pode ser usado para a melhoria da resolução, especialmente em azimute e elevação. Assim, a técnica de SAR pode melhorar a resolução de alcance cruzado, porque o sinal recebido revela alcances cruzados de azimute e elevação.
[0019] Nesta primeira modalidade, uma antena única 1 pode ser montada em uma pá única 2 de um moinho de vento. L é o comprimento da pá e o eixo geométrico de rotação das pás de moinho de vento estando em (0, 0, 0), a antena 1 roda com uma velocidade radial Ω em um plano vertical x-z a partir de (0, 0, L) para (LsinΩt, 0, LcosΩt) no tempo t. Um alvo 3 translada com uma velocidade constante v em qualquer direção a partir de uma posição inicial T (xo, yo, xo) localizada em um azimute <p, elevação 0 e alcance R a partir de (0, 0, 0). Está localizado em um alcance inclinado r(t) a partir da antena 1 no tempo t. No alcance do alvo, uma faixa (swath) em formato de disco S pode ser iluminada, quando a pá 2 rodar. Conforme detalhado abaixo, a geometria deste sistema de SAR em particular de acordo com a invenção permite o estabelecimento de uma imagem de alcance cruzadop(x, z) contendo o alvo 3, bem como outros alvos 4, 5, 6 e 7 na faixa (swath) S. Vantajosamente, a imagem de alcance cruzadop(x, z) pode ser estabelecida a partir das medições de um sinal recebido de frequência de rádio (RF) Sr,RF(t), com base nas propriedades de Fourier de uma função de Green nas coordenadas polares, por exemplo. De fato, se Sp.F(t)for um sinal transmitido, seu eco, Sr,RF(t)a partir de um objeto / área com a função de refletividade β(x, z) no plano de alcance cruzado x-z no alcance inclinado r(t) conterá os alcances cruzados iniciais (xo, zo) . A estimativa da função de refletividade £(x, z) nestas posições iniciais pode ser possível com uma resolução conveniente com base em um algoritmo conhecido principalmente como algoritmo ω-k, que não usa uma aproximação no alcance r(t) .
[0020] A figura 2 ilustra esquematicamente um esquema de blocos de exemplo de acordo com a invenção, implementado como um subsequente em um radar de pulso com compressão de pulso (PC) e transformada rápida de Fourier (FFT) . O radar FMCW com conversão para baixo pela varredura inteira transmitida também pode ser aplicável. Por exemplo, em um radar de pulso, a forma de onda pode ser escolhida para ser um chirp linear. Em uma primeira etapa, o sinal recebido de RF Sr,RF(t) é convertido para baixo em um sinal sr(t) por uma portadora principal fc. Então, um processamento de PC pode ser aplicado ao sinal sr(t) para a estimativa do alcance r(t) e um processamento de FFT pode ser aplicado para a estimativa de Doppler. Para uma resolução melhorada de azimute e elevação, este processamento de sinal de radar básico pode ser estendido, vantajosamente, com um processamento de moinho de vento - SAR de acordo com a invenção. De fato, a fase do sinal recebido Sr,RF(t) que contém um alcance inclinado r(t) pode ser tipica de uma função de Green. A função em si e sua transformada de Fourier são funções simétricas de forma circular que permitem uma separação das contribuições do alcance cruzado (x, z) de contribuições do alcance de terreno y. Este algoritmo é baseado nos princípios daqueles algoritmos de SAR conhecidos principalmente como algoritmo ω-k, mas também denominado um algoritmo de migração de alcance ou reconstrução de frente de onda. Esses algoritmos de SAR não fazem aproximações no alcance r(t), mas usam a fase inteira do sinal recebido.
[0021] Em uma modalidade adicional, uma antena pode ser montada em cada pá do moinho de vento.
[0022] Em ainda uma outra modalidade, uma rede de radar suprema pode ser construída a partir de uma usina eólica, com uma antena que é montada em cada pá de cada moinho de vento da usina. Assim, de modo a se limitarem possíveis interferências, as antenas podem ser montadas apenas em pás de moinhos de vento localizadas em uma borda da usina.
[0023] Uma vantagem adicional provida pela presente invenção em qualquer um de seus aspectos é que é uma solução efetiva em termos de custos. Ela não requer meios em particular para controle da velocidade de rotação das pás, as quais já são reguladas a uma velocidade constante. Apenas antenas têm que ser montadas nas pás, não um sistema de radar inteiro. Assim, o emissor, o receptor e as unidades de processamento podem ser alojados na base do moinho de vento. Mais ainda, quando o vento não é forte o bastante para acionamento das pás em rotação, múltiplas antenas montadas nas pás de um moinho de vento podem ser usadas para a aplicação de uma técnica de fusão de dados, tal como, por exemplo, interferometria. Finalmente, não deve ser subestimado que é uma solução verde, o que não requer o consumo de grandes quantidades de combustível para o voo de aviões ou helicópteros.

Claims (9)

1. Sistema de vigilância para a detecção de alvos (3, 4, 5, 6, 7), compreendendo uma antena de radar (1) montada em uma pá (2) de um moinho de vento, caracterizado por compreender meios para aplicar uma técnica de radar de abertura sintética quando a pá (2) roda, a faixa (S) do radar de abertura sintética do assim formado radar de abertura sintética sendo em formato de disco em um plano vertical.
2. Sistema de vigilância, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do radar ser um radar de pulso.
3. Sistema de vigilância, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato do radar ser um radar de onda continua de frequência modulada.
4. Sistema de vigilância, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato da forma de onda pulsada pelo radar ser um chirp linear.
5. Sistema de vigilância, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por compreender meios para a aplicação de um algoritmo ω-k com uma transformada de Fourier da função de Green, de modo a se estabelecer uma imagem de alcance cruzado (p(x, z) ) contendo os alvos (3, 4, 5, 6, 7) e estimar azimute e elevação a partir da antena (1) para cada alvo.
6. Sistema de vigilância, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por compreender meios para o cálculo, com base em azimute e elevação para cada alvo, do alcance cruzado entre os alvos (3, 4, 5, 6, 7).
7. Sistema de vigilância, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de uma antena de radar ser montada em cada pá do moinho de vento.
8. Sistema de vigilância, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de uma antena de radar ser montada usina eólica. em cada pá de cada moinho de vento de uma
9. Sistema de vigilância, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de uma antena de radar ser montada em cada pá de localizado em uma borda de uma usina cada moinho eólica.
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