ES2237085T3 - Mejoras en o relativas a un sistema de radar. - Google Patents

Abstract

Un método de funcionamiento de un sistema de radar montado sobre una plataforma móvil, que incluye las operaciones de: a) compensar el movimiento de la plataforma para retener los accidentes fijos del terreno dentro de la misma celda de un mapa de parásitos; b) recentrar periódicamente el mapa de parásitos para mantener su origen de coordenadas cerca de una posición real de la plataforma, y c) acelerar un tiempo de inicialización del mapa de parásitos para conseguir recentrar un número de veces suficiente durante el movimiento rápido de la plataforma, donde la operación b) utiliza al menos dos mapas de parásitos, y además incluye las operaciones de d) establecer el origen de un primer mapa de parásitos en la posición de la plataforma en un primer ciclo de barrido del radar; e) inicializar el primer mapa de parásitos durante un número fijo de ciclos de barrido del radar; f) establecer el origen de un segundo mapa de parásitos en la posición de la plataforma mientras se pone en uso el primer mapa de parásitos; g) inicializar el segundo mapa de parásitos durante un siguiente número fijo de ciclos de barrido del radar; h) reestablecer y reinicializar el primer mapa de parásitos mientras está en uso el segundo mapa de parásitos, y i) repetir continuamente las operaciones d) a i).

Description

Mejoras en o relativas a un sistema de radar.

La presente invención se refiere a sistemas de radar, y en particular a la supresión de señales indeseadas recibidas por un sistema de radar que han sido reflejadas por objetos fijos (parásitos) como accidentes del terreno y edificios, en los casos en los que el radar está montado sobre una plataforma móvil, como un barco.

Un sistema de radar funciona mediante la emisión de señales electromagnéticas y la recepción de estas mismas señales después de que se han reflejado en los blancos. Sin embargo, además de las reflexiones de los blancos deseados, por ejemplo aviones, se producen otras reflexiones de objetos indeseados. Nos referiremos a estos objetos indeseados como parásitos, y pueden incluir accidentes del terreno como colinas y acantilados, objetos construidos por el hombre como edificios y vallas, y fenómenos atmosféricos como la lluvia. Las reflexiones indeseadas pueden ser, en algunos casos, mayores que las reflexiones de los blancos.

Los métodos para suprimir las reflexiones indeseadas y retener sólo las señales de los blancos se basan en el hecho de que los objetos parásitos son estacionarios o de movimientos lentos. Muchos radares utilizan la Indicación de Blanco Móvil (MTI) o Detección de Blanco Móvil (MTD), que se basan en determinar la componente radial de la velocidad del blanco (hacia el radar o alejándose de éste) mediante el examen del desplazamiento Doppler de la señal recibida. Suprimir señales que no tienen un desplazamiento Doppler significativo asegura que sólo se muestran como blancos los objetos que se mueven rápidamente. Sin embargo, esto no resuelve completamente el problema debido a que algunos blancos pueden tener una velocidad radial nula, incluso si se mueven rápidamente en una dirección tangencial al radar. Estos blancos deseados muestran pequeños desplazamientos Doppler y por tanto se suprimen junto con los parásitos si se utilizan sólo los métodos MTI y MTD.

Un punto de vista alternativo, que complementa a los procesos MTI y MTD utilizados en muchos sistemas de radar, es variar la sensibilidad del radar receptor, de manera que las áreas que devuelven señales más fuertes son examinadas con una sensibilidad menor que las áreas que no lo hacen. Esto implica la utilización de un mapa de parásitos, en el cual el área de cobertura del radar se divide en celdas y se almacena una matriz de señales de fondo estimadas. Las señales recibidas sólo se aceptan como provenientes de blancos deseados si exceden el nivel de fondo almacenado para la celda que ocupan por un factor suficiente: si s es la potencia de la señal recibida y b_{i} es el nivel de fondo almacenado en la celda, se reporta una detección si s>k_{T}b_{i} para cierta relación fijada k_{T}.

Las estimaciones de fondo de todo el mapa se modifican en cada barrido del radar, de manera que convergen gradualmente hacia los niveles de señal que se están recibiendo realmente. Las reflexiones de dispersores fijos, por tanto, "se incorporan" al mapa y son eventualmente suprimidas. Los blancos móviles, por otro lado, se detectan siempre que sus reflexiones excedan los niveles almacenados en las celdas del mapa de parásitos que ocupan temporalmente. Si las celdas del mapa son lo suficientemente pequeñas, los blancos móviles no permanecerán en las mismas celdas el tiempo suficiente como para "incorporarse" y afectar a los valores almacenados. El funcionamiento de los mapas de parásitos para radares estacionarios se ha descrito en profundidad en la bibliografía de M I Skolnik, et al. "Radar Handbook", McGraw Hill Book Company, 1978.

La estimación de fondo de cada celda del mapa de parásitos normalmente se acumula mediante un "suavizado \alpha". Si b_{i} es el nivel de fondo de parásitos actual en la celda i-ésima, y el mayor nivel visto en la celda durante el barrido actual es g_{i}, se utiliza la siguiente expresión para calcular el nuevo nivel de fondo que se utilizará para el siguiente período de barrido:

\vskip1.000000\baselineskip

(1- \alpha )b_{i} + \alpha g_{i}

donde \alpha es un número pequeño, típicamente \frac{1}{8} o \frac{1}{16}.

En la descripción anterior del funcionamiento del mapa de parásitos se ha supuesto que ya se ha construido un mapa de parásitos cuando se reciben los datos del radar. También es necesario considerar el problema de la inicialización: llenar el mapa de parásitos con datos adecuados cuando el radar se enciende por primera vez. Si esto no se hace correctamente, es posible que se reporten múltiples detecciones falsas durante los primeros barridos, debido a que los bajos valores iniciales de b_{i} provocan que se cumpla frecuentemente la condición s>k_{T}b_{i}.

El funcionamiento del mapa de parásitos descrito arriba depende claramente de que los parásitos dispersores sean estacionarios respecto al radar. Por esta razón, los mapas de parásitos sólo han sido aplicados con éxito hasta ahora en sistemas de radar que funcionan en localizaciones fijas. Un radar montado sobre una plataforma móvil, como un barco o un avión, observará parásitos que se mueven con relación a sí mismos. Los objetos parásitos, por tanto, se moverán de una celda del mapa de parásitos a otra. Dichos dispersores se reportarán como detecciones siempre que se muevan a una celda nueva del mapa de parásitos que tenga un valor de fondo almacenado bajo. Eventualmente, si el dispersor permanece en la celda, el nivel de fondo de la nueva celda aumentará para prevenir esto, pero la adaptación puede requerir unos cuantos barridos. Además, la celda en la que el dispersor se encontraba previamente se dejará durante varios barridos con un umbral innecesariamente alto, lo que puede provocar que se supriman blancos deseados. Si el movimiento del radar es lo suficientemente rápido, dichos problemas se producirán continuamente, provocando detecciones falsas y pérdida de detecciones de blancos.

Un objetivo de la presente invención es proporcionar un sistema de radar mejorado que supere los problemas mencionados arriba.

Según la presente invención se proporciona un método de funcionamiento de un sistema de radar montado sobre una plataforma móvil que incluye las operaciones de:

a)

compensar el movimiento de la plataforma para retener los accidentes del terreno fijos dentro de la misma celda de un mapa de parásitos;

b)

recentrar periódicamente el mapa de parásitos para mantener su origen de coordenadas cerca de la posición real de la plataforma, y

c)

acelerar un tiempo de inicialización del mapa de parásitos para conseguir recentrar un número de veces suficiente durante el movimiento rápido de la plataforma

donde el paso b) utiliza al menos dos mapas de parásitos, y además incluye las operaciones de:

d)

establecer el origen de un primer mapa de parásitos en la posición de la plataforma durante un primer ciclo de barrido del radar;

e)

inicializar el primer mapa de parásitos durante un número fijo de ciclos de barrido de radar;

f)

establecer el origen de un segundo mapa de parásitos en la posición de la plataforma mientras se utiliza el primer mapa de parásitos;

g)

inicializar el segundo mapa de parásitos durante un número fijo posterior de ciclos de barrido de radar;

h)

restablecer y reinicializar el primer mapa de parásitos mientras se está utilizando el segundo mapa de parásitos, y

i)

repetir continuamente los pasos d) a i).

El método también puede incluir la operación de actualizar los niveles de fondo del mapa de parásitos en combinación con un proceso de detección para reducir la carga computacional.

La presente invención habilita la incorporación de una compensación de movimiento en el funcionamiento del mapa de parásitos, de manera que también se puede utilizar de forma efectiva cuando el radar no es estacionario.

El mapa de parásitos descrito tiene cuatro nuevas características que lo habilitan para funcionar con éxito incluso cuando el radar está en movimiento. Éstas son:

Compensación del movimiento del radar.

Recentrado periódico del mapa de parásitos.

Rápida inicialización tras el recentrado.

Actualización continua del nivel de fondo.

La característica de la actualización de los niveles de fondo es una característica opcional y tiene la ventaja de reducir la carga computacional.

La compensación del movimiento de un barco se lleva a cabo mediante la suma de la posición conocida del barco a la situación de los dispersores antes de determinar qué celda del mapa de parásitos ocupan. Se supone que se suministra la posición del barco de forma continua.

Es necesario recentrar a intervalos un mapa de parásitos en coordenadas polares con desviaciones de posición almacenadas de manera que se mantenga el origen de las coordenadas polares cerca de la posición del barco.

Esto se hace mediante el mantenimiento de dos mapas, uno de los cuales está siendo inicializado mientras el otro se encuentra en uso. Cada vez que se reinicializa cualquiera de los mapas, se recentra de forma que su origen coincida con la posición actual del barco.

La necesidad de inicializar ambos mapas a intervalos frecuentes significa que la inicialización se debe efectuar en el mínimo número de barridos posible. La presente invención incorpora una manera de acelerar el proceso de inicialización, habilitando que las reflexiones de los parásitos "se incorporen" al mapa lo más rápidamente
posible.

Finalmente, el proceso de permitir que las reflexiones de los parásitos observadas contribuyan a los niveles de fondo almacenados se ha integrado con el algoritmo para determinar las detecciones de blancos. Esto permite que el proceso de cálculo implicado sea más eficiente y elimina la necesidad de una actividad especial de actualización una vez por cada barrido del radar.

La ventaja más obvia de la invención es que elimina los problemas descritos arriba cuando dispersores indeseados se mueven de una celda del mapa de parásitos a otra. Ahora este movimiento se previene: los objetos que son verdaderamente estacionarios siempre ocuparán la misma celda del mapa de parásitos incluso cuando el radar se mueve.

El esquema de inicialización acelerada también significa que el mapa de parásitos funciona mejor con reflexiones de elementos que se encuentran inicialmente ocultos tras terreno más cercano, pero que son revelados al moverse el radar. Dichos objetos revelados se incorporan rápidamente al mapa de parásitos.

Se describirá ahora una realización de la presente invención haciendo referencia a los dibujos que se acompañan, en los que,

La 1 Figura muestra un método de inicialización con dos mapas de parásitos,

La Figura 2 muestra un método de inicialización con tres mapas de parásitos,

La Figura 3 muestra un parámetro de suavizado variable con dos mapas de parásitos, y

La Figura 4 muestra un diagrama de bloques de un aparato para implementar el método.

Las cuatro mejoras de acuerdo con la presente invención serán ahora descritas en detalle.

Compensación de movimiento del radar

Se realiza la compensación por el movimiento de la plataforma del radar almacenando la posición de partida de la plataforma, y tomando ésta como origen de coordenadas. En momentos posteriores se calcula la nueva posición de la plataforma como una desviación respecto de la posición de partida y se almacena. Siempre que se recibe una señal reflejada, esta desviación se añade a la posición del dispersor, y la posición corregida resultante se usa para definir su situación en el mapa de parásitos.

El almacenamiento de la desviación se lleva a cabo como sigue. Supongamos que el movimiento del barco es conocido y definido por (x_{o}(t),y_{o}(t)) en el tiempo t. El movimiento de la plataforma se tiene entonces en cuenta utilizando (x+x_{o}(t).y+y_{o}(t))como la posición del mapa de parásitos.

El número de celdas del mapa de parásitos se puede entonces calcular, y el método para hacer esto es dependiente del sistema de coordenadas usado para el mapa. La presente invención no es dependiente de un sistema de coordenadas particular, pero se puede implementar usando coordenadas polares. Como ejemplos de cálculo del número de celdas del mapa de parásitos, se describirá ahora el procedimiento para coordenadas polares y Cartesianas.

Un cuadriculado polar normalmente utilizará espaciados azimutales iguales. El alcance y el espaciado pueden ser uniformes, o menores en alcances cercanos cuando se requiere la mayor resolución. Dada la posición como alcance R y ángulo azimutal \theta, se requieren los siguientes cálculos para determinar el número de índice de la celda del mapa de parásitos en la que se encuentra la posición:

Posición corregida	x' = Rsen\theta + x_{o}(t)
	y' = Rcos\theta + y_{o}(t)
	R' = \sqrt{(x^{'2} + y^{'2}})
	\theta' = arctan(x', y') (usando una arctan de dos argumentos)
Núm. de celdas azimutal	i_{o} = [\theta'/\Delta\theta] donde \Delta\theta = tamaño de celda en azimut
Núm. de celdas longitudinal	\begin{minipage}[t]{102mm} i_{R} = [R'/\Delta R] para un cuadriculado igualmente espaciado y tamaño de celda \Delta R \end{minipage}
	i_{R} tal que R_{i_{R}-1}\leqR\leqR_{i_{R}} para espaciados no iguales
Número de celdas	i = i_{o} + i_{R} N_{\theta}

En coordenadas cartesianas se puede suponer que el cuadriculado es cuadrado. Elnúmero de celdas para un espaciado entre cuadrículas \Delta se puede calcular como:

Posición corregida	x' = Rsen\theta + x_{o}(t)
	y' = Rcos\theta + y_{o}(t)
Número de celdas "x"	y_{x} = [x'/\Delta]
Número de celdas "y"	i_{y} = [y'/\Delta]
Número de celdas	i = i_{x} + i_{y}N_{x}

Con cualquiera de estos esquemas, un parásito dispersor con una posición fija permanecerá siempre dentro de la misma celda del mapa de parásitos, ofreciendo las ventajas descritas arriba.

Recentrado periódico del mapa de parásitos

Un mapa de parásitos con compensación de movimiento empieza teniendo su origen en la posición del radar, pero este no será el caso después de cierto tiempo. Con un mapa de parásitos dispuesto según componentes Cartesianas esto no es serio, suponiendo que los bordes del mapa están hechos para reiniciarse cíclicamente, pero un mapa de parásitos polar debe ser recentrado periódicamente. Con grandes desviaciones de posición, existe el peligro de que las celdas del mapa de parásitos ya no tengan la forma correcta para proporcionar una buena resolución en alcance y visibilidad inter-parásito. Las celdas en los lados de la dirección del movimiento se rotarán y se extenderán efectivamente en alcance, lo cual es indeseable, ya que los parásitos dispersores en los bordes de las celdas pueden quedar ahora en celdas adyacentes, provocando detecciones del radar no deseadas.

Durante la inicialización, los datos en el mapa de parásitos no son útiles para determinar las detecciones del radar, de manera que en la presente invención se emplean dos mapas de parásitos: uno para ser inicializado mientras el otro se encuentra en uso. La sincronización del uso de los dos mapas de parásitos sería como se muestra en la Figura 1. En el primer barrido del radar, el mapa 1 tiene su origen establecido en la posición del barco. Se le permite entonces que se inicialice durante un número fijo de barridos N. Después de esto, el mapa 2 tiene su origen establecido en la posición del barco mientras el mapa 1 entra en uso. Durante los siguientes N barridos, se inicializa el mapa 2. Entonces el mapa 1 se pone a cero y comienza a inicializarse mientras el mapa 2 se encuentra en uso, y se sigue así. La presente invención no excluye el uso de más de dos mapas de parásitos. Por ejemplo, el esquema en el que se utilizan tres mapas se puede usar como se muestra en la Figura 2.

Inicialización rápida tras el recentrado

En el esquema con dos mapas de parásitos mostrado en la Figura 1, es necesario ser capaz de inicializar los mapas de parásitos y tenerlos ya establecidos al terminar N barridos. Si el mapa de parásitos está lleno con un nivel de ruido de receptor constante, el suavizado \alpha normal tal como se ha descrito arriba no siempre es suficiente para permitir que se "asiente" antes de que entre en uso. Por tanto, la presente invención emplea un suavizado \alpha acelerado. Esto implica hacer \alpha = 1 en el primer barrido, de manera que el mapa se llena con los valores parásitos que estén presentes, y permitir que se reduzca hasta su valor adecuado, por ejemplo, \frac{1}{16} en el barrido N-ésimo. Una variación lineal de \alpha se muestra en la Figura 3, aunque la presente invención no impide el uso de una ley de variación más complicada.

Actualización continua del nivel de fondo

Convencionalmente, el suavizado \alpha para actualizar los niveles de fondo de las celdas se efectúa una vez por barrido. En la presente invención este cálculo se combina con el proceso de reporte de detecciones. Esto se lleva a cabo también mediante el almacenamiento del tiempo de última actualización con la mayor respuesta para cada celda. Cuando se hace referencia a la celda para determinar si una señal recibida es lo suficientemente grande como para representar una detección de un blanco, se comprueba el tiempo almacenado de la última actualización para ver si el nivel de fondo almacenado en la celda debe pasar primero por un suavizado \alpha. Este punto de vista es aplicable a cualquier sistema de coordenadas de un mapa. El algoritmo para hacer esto es como sigue:

Sea	t = tiempo actual
	s = señal actual recibida
	i = número de celda que ocupa
	h_{i} = nivel de fondo almacenado en la celda i
	g_{i} = mayor respuesta observada en la celda i
	t_{i} = tiempo en el que g_{i} fue almacenada

Al recibir las señales en el tiempo t

Calcular el número de celda i como arriba

Reportar detección si s>k_{T}b_{i}

if t-t_{i} es menor que un tiempo de barrido

then	(t_{i} estaba en el barrido actual)
	g_{i} : = max{g_{i}, s}
else	(t_{i} estaba en el último barrido)
	b_{i} : = (1-\alpha)b_{i} + \alphag_{i}
	g_{i} : = s
	t_{t} : = t
end if

En virtud de esta estrategia de actualización continua, la invención no se restringe a radares rotativos convencionales. Se aplica también al caso de un Radar Multi Función (MFR), en el que el haz se puede barrer electrónicamente con gran libertad. El esquema de actualización del mapa se basa sólo en que todas las celdas del mapa sean visitadas con la suficiente frecuencia como para mantener válidos los datos que hay en ellas. La especificación de que un MFR lleve a cabo una vigilancia regular de todo el volumen de cobertura aseguraría que este era el caso. Durante el sondeo, se podría esperar la concentración de las miradas del radar dentro de un pequeño volumen que se espera que contenga el blanco, para obtener datos del mapa de parásitos de aún mayor calidad dentro de este volumen.

La invención se podría incorporar como parte del hardware de procesamiento de la señal del radar, por medio de uno o múltiples cuadros que contengan los procesadores adecuados.

Se describirá ahora un diagrama de bloques de una implementación haciendo referencia a la Figura 4.

Una unidad 2 de acondicionamiento de señal recibe la señal del radar en Frecuencia Intermedia (IF) por la línea 4. La unidad 2 de acondicionamiento genera señales en fase, con fase en cuadratura y de módulo por las líneas 6, 8 y 10 respectivamente. Las señales se aplican a un detector MTI digital o MTD 12 que envía las detecciones del MTI o MTD por la línea 14. Las señales de radar normales del detector 4 MTI o MTD se pasan por la línea 16 al mapa 18 de parásitos de la plataforma móvil, que también recibe señales por la línea 22 que reportan la posición geográfica de la plataforma móvil. Las señales normales del radar salen del mapa de parásitos de la plataforma móvil por la línea 20.

Como se ha mencionado arriba, la plataforma móvil es un barco, pero puede ser un avión o cualquier otro medio de transporte.

Claims (5)

1. Un método de funcionamiento de un sistema de radar montado sobre una plataforma móvil, que incluye las operaciones de:

a)

compensar el movimiento de la plataforma para retener los accidentes fijos del terreno dentro de la misma celda de un mapa de parásitos;

b)

recentrar periódicamente el mapa de parásitos para mantener su origen de coordenadas cerca de una posición real de la plataforma, y

c)

acelerar un tiempo de inicialización del mapa de parásitos para conseguir recentrar un número de veces suficiente durante el movimiento rápido de la plataforma,

donde la operación b) utiliza al menos dos mapas de parásitos, y además incluye las operaciones de:

d)

establecer el origen de un primer mapa de parásitos en la posición de la plataforma en un primer ciclo de barrido del radar;

e)

inicializar el primer mapa de parásitos durante un número fijo de ciclos de barrido del radar;

f)

establecer el origen de un segundo mapa de parásitos en la posición de la plataforma mientras se pone en uso el primer mapa de parásitos;

g)

inicializar el segundo mapa de parásitos durante un siguiente número fijo de ciclos de barrido del radar;

h)

reestablecer y reinicializar el primer mapa de parásitos mientras está en uso el segundo mapa de

\hbox{parásitos, y}

i)

repetir continuamente las operaciones d) a i).

2. Un método según la Reivindicación 1, que además incluye la operación de:

j)

actualizar los niveles de fondo de las celdas del mapa de parásitos en combinación con un proceso de detección para reducir la carga computacional.

3. Un método según la Reivindicación 1 o la Reivindicación 2, donde la operación de compensación de movimiento incluye además las operaciones de:

k)

averiguar y almacenar la posición inicial de la plataforma;

l)

calcular y almacenar las posiciones posteriores de la plataforma como una desviación respecto de la posición inicial, al recibir la señal reflejada;

m)

sumar la desviación actual a la posición de un dispersor que ha reflejado la señal;

n)

usar el resultado de la suma para definir la situación del dispersor en el mapa de parásitos.

4. Un método según cualquier reivindicación precedente, en el que la operación c) utiliza un algoritmo de suavizado \alpha y además incluye las operaciones de:

o)

establecer como valor de \alpha el valor que es sustancialmente mayor que su valor normal en un primer ciclo de barrido del radar, y

p)

permitir que el valor de \alpha se reduzca hasta su valor normal al llegar al final del número fijo de ciclos de barrido del radar.

5. Un método según cualquiera de las Reivindicaciones 2, 3 ó 4, en el que la operación j) incluye además las operaciones de:

q)

almacenar el tiempo de la última actualización con la mayor respuesta para cada celda del mapa de parásitos;

r)

hacer referencia a la celda apropiada para determinar si una señal recibida es lo suficientemente grande como para representar una detección de un blanco, y

s)

comprobar el tiempo almacenado de la última actualización para averiguar si el nivel de fondo almacenado en la celda debe ser objeto de suavizado.