ES2284152T3 - Metodo para cartografiar el escenario de un objetivo utilizando un radar de exploracion. - Google Patents
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Abstract
Método para el cartografiado del escenario de un objetivo mediante un radar de exploración de apertura sintética, utilizando el efecto Doppler que se origina en el caso de movimiento entre el radar y el escenario del objetivo, en el cual se calcula el movimiento de una plataforma sobre la cual está montada la antena del radar utilizando datos de navegación obtenidos para la plataforma, caracterizado porque para la compensación del desplazamiento (7) en tiempo y fase dependiente del movimiento de la plataforma, se transforma impulso a impulso una cantidad de señal recibida (6) en forma de datos sin depurar, en una cantidad de señal (9, 10) corregida en movimiento mediante el desplazamiento en tiempo y en fase, dependiente del movimiento de la plataforma a lo largo de un movimiento imaginario (31) de la plataforma, dirigido de tal forma que la dirección momentánea de la antena está esencialmente a 90º con respecto a la dirección del movimiento de la plataforma imaginaria.
Description
Método para cartografiar el escenario de un
objetivo utilizando un radar de exploración.
La presente invención se refiere a un método
para cartografiar un escenario objetivo utilizando un radar de
exploración que utiliza el efecto Doppler que se produce en caso de
movimiento entre el radar y el escenario objetivo, en el cual se
calcula el movimiento de una plataforma sobre la que está montada
la antena del radar, utilizando datos de navegación obtenidos para
la plataforma.
Dado que el radar es uno de los pocos sensores
disponibles para un cartografiado detallado del terreno, existen
exigencias continuadas para un desarrollo adicional de la
tecnología. Otros sensores utilizados corrientemente, tales como
los sensores de infrarrojos y de vídeo, utilizan únicamente el
procesado de imágenes para el análisis de las imágenes, mientras
que utilizando la tecnología de radar, es también posible
aprovechar las características de la señal que son únicas para cada
objetivo específico. La tecnología de radar tiene de este modo la
ventaja de que pueden combinarse el procesado de señales y el
procesado de imágenes.
Visto históricamente, el radar ha sido de gran
importancia asociado con aplicaciones militares. En sus inicios, la
tecnología hizo posible la detección de aeronaves y buques. A pesar
de las limitaciones de los sistemas de aquellos tiempos,
generalmente podía detectarse el enemigo con tiempo suficiente con
lo cual se evitaban pérdidas innecesarias. Hoy en día, gracias a
los desarrollos en tecnología, ha mejorado considerablemente la
capacidad de detección. Dado que la moderna tecnología del radar,
en combinación con el procesado complejo de señal y de imagen,
permite en muchos casos que las imágenes de radar sean de calidad
fotográfica, siendo hoy en día el reconocimiento del suelo y en el
interior de los archipiélagos una aplicación normal del radar.
A pesar de los desarrollos, siguen existiendo
problemas que limitan la utilización del radar. Uno de dichos
problemas se refiere a la capacidad para generar imágenes de radar
de alta resolución dentro de un intervalo angular adyacente,
alrededor de la dirección de movimiento de la plataforma. Los
fenómenos que limitan la generación de imágenes incluyen la
variación Doppler y la gama o variación de las distancias. Ambos
fenómenos se comentarán más adelante con mayor detalle, haciendo
referencia a las figuras. Una situación como la descrita
anteriormente con un radar de exploración hacia adelante es muy
corriente en aplicaciones militares, en la que se espera que tenga
lugar una aproximación en la dirección del objetivo.
Desde que fueron conocidos los principios de
resolución Doppler, los técnicos de radar han intentado utilizar de
una forma óptima el efecto Doppler que se produce cuando existe
movimiento entre el radar y el escenario del objetivo. Se
demostrará más adelante que el ancho de banda Doppler es de
decisiva importancia para la magnitud de la resolución angular.
Dado que el ángulo de iluminación, que es el ángulo entre el vector
de movimiento y el objetivo, tiene una gran influencia en las
características Doppler del objetivo iluminado, la resolución
angular depende asimismo de un ángulo correspondiente. La
resolución angular, que viene dada por el ancho \Psi_{e} del
haz efectivo de la antena, dividido por un factor predefinido de
adelgazamiento del haz R_{FSAR}, se deduce a continuación
según:
en que \lambda corresponde a la
longitud de onda de la señal, l es la dimensión física de la
antena, \nu_{p} es la velocidad de la plataforma,
\omega_{s} es la proporción de exploración de la antena y \Phi
es el ángulo de la
antena.
Con una proporción de exploración constante,
puede suponerse que todos los parámetros aparte de
sen(\Phi) son constantes. Como la expresión
sen(\Phi) se encuentra en el denominador en la correlación
anterior, puede observarse que la resolución óptima se obtiene para
un ángulo del objetivo de 90°, mientras que los ángulos reducidos
del objetivo (\rightarrow 0°) no permiten ninguna integración
coherente. El ángulo de 0° corresponde aquí a la dirección de
desplazamiento de la plataforma, mientras que el ángulo de 90°
corresponde a un ángulo de la antena perpendicular a la dirección
de desplazamiento.
En una aplicación de búsqueda de objetivos, es
particularmente de gran interés un intervalo angular de una
dimensión aproximada de \pm 30°, ya que se supone que la
aproximación está teniendo lugar hacia un objeto amenazador.
Tradicionalmente, los modos de radar que
utilizan antenas de exploración hacia adelante han sido
clasificados dentro de la categoría DBS (Adelgazamiento de haz
Doppler), consultar Donald R. Wehner "Radar de alta resolución,
segunda edición", ISBN
0-89006-727-9.
Artech House 1995.
A partir del artículo de B.R. Mahafza y otros:
"Formación de imágenes para un SAR de búsqueda hacia adelante
utilizando una disposición lineal con movimiento transversal",
XP010146741, publicado en las actas de la IEEE de Southeastcon '93,
Charlotte, USA, 4-7 de Abril de 1993, se conoce un
sistema SAR de búsqueda hacia adelante para cartografiar el
escenario de un objetivo.
El enfoque que tradicionalmente se llevaba a
cabo mediante filtrado, requería a menudo aplicar bancos de filtros
extremadamente complejos. Dado que cada subfiltro estaba optimizado
para una zona espectral dada (con respecto al ancho de banda y a la
manipulación del lóbulo lateral) se requería un gran número de
subfiltros con el fin de abarcar la totalidad de la zona
espectral.
Dado que el análisis espectral moderno utiliza
cada vez más herramientas basadas en FFT (Transformación rápida de
Fourier), estos métodos han ido sustituyendo progresivamente la
tecnología anterior. Utilizando métodos relacionados con la FFT,
puede realizarse el filtrado tradicional del paso de banda de forma
más precisa y además se hace posible el filtrado encajado con mayor
precisión. Los métodos difieren en su ejecución y también en como
la cantidad de señal recibida debe ser
pre-procesada. El enfoque mediante el filtrado del
paso de banda requiere una señal de frecuencia ampliada con el fin
de conseguir el enfoque. A su vez, el filtrado encajado requiere
una cantidad de señal desmodulada en la que los objetivos separados
angularmente se distinguen mediante la frecuencia.
- \bullet
- El filtrado encajado integra toda la energía de la señal perteneciente a un componente de una frecuencia determinada (un objetivo particular).
- \bullet
- El filtrado del paso de banda suprime componentes de frecuencia no deseados.
La gran diferencia en las técnicas de enfoque,
de integración de señal y de reducción de señal, respectivamente,
ha conducido a que la tecnología anterior haya sido clasificada
cada vez más como SAR (Radar de apertura sintética), consultar
Carrara, Goodman, Majewski, "Proyector de radar de apertura
sintética, Algoritmos de procesado de señales", ISBN
0-89006-728-7 Artech
House 1995, en vez de DBS. De este modo, al método desarrollado de
acuerdo con la invención se le ha dado el nombre de "Radar de
apertura sintética de exploración hacia adelante (FFSAR)".
Haciendo referencia a los dibujos adjuntos, se comentará más
adelante con mayor detalle como se prepara la cantidad de señal
captada para una integración coherente.
El objetivo de la presente invención es
conseguir un método, mediante el cual pueden generarse imágenes de
radar de alta resolución en una aplicación de exploración hacia
adelante.
El objetivo de la invención se consigue por
medio de un método caracterizado porque para la compensación de la
aproximación, una cantidad de señal recibida por el radar con
referencia a los impulsos transmitidos, se transforma impulso a
impulso en una cantidad de señal correspondiente corregida en el
movimiento, mediante el desplazamiento en tiempo y fase dependiente
del desplazamiento de la plataforma siguiendo un desplazamiento
imaginario de la plataforma dirigido de tal manera que la dirección
instantánea de la antena está esencialmente a 90° con el vector de
movimiento para el desplazamiento de la plataforma imaginaria.
La compensación de aproximación se lleva a cabo
de manera ventajosa en el campo de la frecuencia, y su magnitud en
tiempo T y fase \theta se calcula mediante las
correlaciones:
en las que R es la distancia
a al que debe desplazarse hasta un eco respectivo, c es la
velocidad de propagación y \lambda_{c}, es la longitud de onda
de la señal. Al llevar a cabo la compensación de aproximación en el
campo de la frecuencia, ésta puede llevarse a cabo de manera
efectiva y en combinación con la compresión de impulsos. La
compresión de impulsos es conocida asociada con aplicaciones de
radar, pero no en combinación con otras etapas comprendidas en
nuestro método, cuyas etapas actúan entre sí de una forma
favorable.
De acuerdo con otro desarrollo adicional del
método según la invención, se crea una función de referencia
mediante:
- 1.
- la colocación de un objetivo de referencia en la dirección del desplazamiento de la plataforma.
- 2.
- la suposición de que el objetivo de referencia está iluminado durante todo el movimiento de la plataforma y en todos los ángulos de la antena.
- 3.
- el cálculo de la variación de fase \theta_{ref} que se ha originado.
- 4.
- la creación de una señal de referencia según S_{ref} = exp(j\theta_{ref}).
- 5.
- la compensación de la aproximación S_{ref}.
y mediante la cantidad de señal que
ha sido desmodulada mediante la multiplicación por la conjugada de
la función de referencia. Por consiguiente, la cantidad de señal
desmodulada puede ser enfocada angularmente de manera ventajosa,
preferentemente mediante un factor de cálculo por medio de la
transformación de Fourier
(FFT).
Todavía según otro desarrollo adicional del
método según la invención, la cantidad de señal enfocada
angularmente es proyectada en una escala lineal de frecuencias, con
lo cual se obtiene una correlación lineal entre la posición inicial
del objetivo en tiempo y su posición final en frecuencia.
De acuerdo con una realización del método según
la invención, se mantiene constante la proporción de exploración
del radar de exploración. De esta forma, los sistemas de radar
construidos para una proporción constante de exploración, que se
encuentran habitualmente en el mercado, pueden ser utilizados para
realizar el método.
Según una realización alternativa del método,
puede modificarse la proporción de exploración del radar para
obtener una resolución esencialmente constante dentro del área de
exploración. Para ello se determina de manera adecuada la
proporción de exploración del radar \omega_{s} mediante la
correlación:
en la que \lambda corresponde a
la longitud de onda de la señal, \nu_{p} es la velocidad de la
plataforma, R_{FSAR} es el factor de adelgazamiento del
haz, l es la dimensión física de la antena y \Phi es el
ángulo de la
antena.
El método según la invención es particularmente
ventajoso dentro de un intervalo angular limitado en la dirección
del movimiento de la plataforma del radar y, según una realización
adecuada del método, se lleva a cabo el cartografiado del escenario
del objetivo dentro de un margen angular de un tamaño aproximado de
\pm 30° durante la aproximación hacia el escenario objetivo.
Todavía según otra realización del método, éste
comprende un sistema IMU conectado a la plataforma del radar que
mide continuamente el desplazamiento de la plataforma. En
combinación con el sistema IMU existe además un sistema INS que
incluye un filtro de cálculo del movimiento. De esta manera, la
combinación de IMU y de INS significa que puede mantenerse
actualizado con gran precisión el desplazamiento de la plataforma,
lo cual es un requisito para el método según la invención.
Los principios básicos según el método anterior
pueden estar combinados con otros métodos de cartografiado basados
en radar, y un desarrollo adicional del método está caracterizado
porque los demás métodos de cartografiado basados en radar son
utilizados en combinación con el método en partes de la gama
angular a cartografiar.
A continuación se describirá la invención con
mayor detalle haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los
cuales:
la figura 1 muestra, de manera esquemática, las
funciones que componen el método según la invención;
la figura 2 muestra un ejemplo de simulación de
la geometría con las posiciones del objetivo, incluyendo el
intervalo de exploración y la forma geométrica de la
plataforma;
la figura 3 muestra un ejemplo del movimiento de
la plataforma antes y después de la corrección de la aproximación
mediante ampliación de la zona de la plataforma según la figura
2;
la figura 4a muestra un ejemplo del efecto de la
variación de la distancia en la cantidad de señal sin corrección
del tiempo, para un radar con exploración constante;
la figura 4b muestra un ejemplo del efecto de la
variación de la distancia según la figura 4a en la cantidad de
señal, pero habiendo introducido la corrección de tiempo;
la figura 5a muestra un ejemplo del
desplazamiento de la frecuencia dependiente del ángulo, sin
corrección de fase;
la figura 5b muestra un ejemplo del efecto del
desplazamiento de la frecuencia dependiente del ángulo, según la
figura 5a, pero con corrección de fase;
la figura 6a muestra la función de referencia
propuesta junto con puntos objetivo simulados, según la figura
2;
las figuras 6b y 7a muestran la función
conjugada de referencia, según la figura 6a, y los puntos objetivo
simulados según la figura 2 después de la desmodulación, utilizando
la función de referencia;
la figura 7b muestra un enfoque angular del
objetivo basado en FFT, según la figura 7a, en la que la figura 7a
es idéntica a la figura 6b;
las figuras 8a-8c muestran la
proyección de un espectro no lineal según la figura 7b sobre un
espectro lineal según la figura 8c, con las escalas de frecuencia
lineales y no lineales que están ilustradas en la figura 8b;
la figura 9 muestra un ejemplo de como puede
modificarse la proporción de exploración del radar con el objeto de
conseguir una resolución angular constante, en la que el ángulo de
180° corresponde a la dirección de movimiento de la plataforma;
la figura 10a muestra un ejemplo del efecto de
la variación de la distancia en la cantidad de señal, sin
corrección de tiempo, para un radar con una proporción de
exploración variable;
la figura 10b muestra un ejemplo del efecto de
la variación de la distancia según la figura 10a, en la cantidad de
señal, pero con la introducción de la corrección de tiempo;
la figura 11 muestra un ejemplo de la variación
de frecuencia del objetivo con compensación de la aproximación;
la figura 12a muestra un ejemplo de una función
de referencia propuesta para la desmodulación de objetivos
iluminados junto con los objetivos según la figura 2;
la figura 12b muestra la conjugada de la función
de referencia de la figura 12a y los objetivos, después de la
desmodulación;
la figura 13 muestra, para un caso con
resolución angular constante, el resultado de la cantidad de señal
desmodulada después del enfoque FFT y su proyección en una escala
angular lineal.
A continuación se describirá el método de manera
esquemática, haciendo referencia a la figura 1, y luego se
comentará con mayor detalle haciendo referencia a los dibujos
posteriores.
Según la figura 1, existe una cantidad de señal
recibida en forma de datos sin depurar (1). La cantidad de señal
comprende reflexiones de un impulso transmitido previamente. La
gama angular o diagrama de distancia (2) ilustra la propagación de
la cantidad de señal en distancia y en ángulo para un punto
objetivo (3). Como no se ha llevado a cabo la compresión de la
señal, la señal se extiende en las dimensiones respectivas. Además
de la propagación de la señal, en el diagrama (2) de la distancia
angular se muestra también el efecto de la variación de la
distancia que se produce debido al movimiento de aproximación de la
plataforma del radar.
Como una primera etapa, se lleva a cabo la
compresión de impulsos de la cantidad de señales recibidas de
acuerdo con los principios conocidos dentro del sector de la
tecnología del radar. Al bloque de funciones se le ha asignado el
numeral de referencia (4). La compresión de impulsos que integra la
energía de la señal en gama, es llevada a cabo en el plano de la
frecuencia. El diagrama anterior (5) de distancia angular muestra
la propagación de la señal (6) después de la compresión de
impulsos.
Asociada a la compresión de impulsos, o como un
elemento posterior, se lleva a cabo la compensación de aproximación
en un bloque de función (7). En principio, se lleva a cabo un
movimiento imaginario de la plataforma del radar, en base al
movimiento real de la plataforma del radar y de la dirección de
exploración en relación con el escenario del objetivo. La
compensación de la aproximación compensa el tiempo dependiente del
movimiento de la plataforma y el desplazamiento de fase. El
diagrama de distancia angular (8) muestra cómo la señal de energía
para un punto objetivo (9) está situada en la misma gama de entrada
después que se ha llevado a cabo la compensación de tiempo. Un
diagrama (10) de la frecuencia angular muestra cómo la variación de
frecuencia del objetivo está centrada alrededor de la frecuencia
cero después de la correspondiente compensación de fase. La
compensación de la aproximación es llevada a cabo de forma más
efectiva en el plano de frecuencias, por cuyo motivo la realización
está combinada de manera adecuada con la compresión de impulsos.
Un bloque de función (11) crea una función de
referencia y utiliza esta función de referencia para la
desmodulación de la variación de frecuencia del objetivo. En otro
lugar en esta descripción se describe cómo se crea la función de
referencia. La variación de frecuencia de la función de referencia
se ajusta a la variación de frecuencia del objetivo iluminado, con
la excepción de un componente constante de frecuencia, utilizando
el cual, se sitúa el objetivo desmodulado en una ventana de
frecuencia fijada según el diagrama (13) de frecuencia angular.
Como la desmodulación solamente se ajusta a la fase del objetivo, la
distancia del objetivo permanece sin modificar según el diagrama de
distancia angular (12).
Después de la desmodulación, la señal es
enfocada angularmente mediante un factor de cálculo con la
transformación de Fourier (FFT) en un bloque de función (14). La
transformación de Fourier que integra la energía de la señal como
una función de la frecuencia genera un objetivo (16) en forma casi
puntual, en el diagrama (15) de distancia angular. Sin embargo, el
objetivo enfocado está situado en una posición angular incorrecta
como resultado de la variación no lineal de frecuencia de la
función de referencia. Mediante un nuevo muestreo del espectro de
la frecuencia no lineal al correspondiente espectro lineal en un
bloque de función (17), se obtiene un objetivo (16) de forma
puntual, el cual, en el diagrama de distancia angular (18), ha
adoptado una posición que se ajusta bien a la realidad. La relación
entre el espectro de frecuencia no lineal y el lineal se describe
en otra parte en esta descripción.
A continuación se describirá con mayor detalle
el proceso implicado, haciendo referencia a la figura 1, y en
primer lugar se comentará la compensación de la velocidad de
aproximación haciendo referencia a las figuras 2, 3, 4a, 4b, 5a y
5b.
Con el fin de clarificar el comentario referente
a los elementos parciales que constituyen el algoritmo de enfoque
propuesto, se utiliza una simulación geométrica según la figura 2.
En total, se simulan cinco puntos objetivo (19-23)
situados a la misma distancia (4.000 metros) y con una separación
angular de 5°. Las características de la señal de los objetivos
respectivos (19-23) son estudiadas etapa por etapa
con el fin de demostrar la interacción de los elementos parciales.
Las líneas (24) y (25) marcan los límites exteriores del área de
exploración del radar y el numeral de referencia (26) marca la
posición de la plataforma.
En lo que se refiere a los demás algoritmos SAR,
es necesario tener en cuenta el movimiento de aproximación de la
plataforma. En este caso, esto se realiza mediante la
transformación de la cantidad de señal recibida en un valor
correspondiente corregido con respecto al movimiento. La corrección
del movimiento se lleva a cabo de tal forma que la totalidad de la
cantidad de señal recibida perteneciente a un impulso transmitido
determinado es desplazada en tiempo y fase de una forma adecuada.
La magnitud del desplazamiento depende del movimiento de la
plataforma y se calcula utilizando datos de navegación. La figura 3
ilustra como se lleva a cabo la corrección del movimiento en el
método propuesto.
En primer lugar, se calcula una distancia R para
cada posición de la plataforma cuando se transmite un impulso. En
la figura 3, se ha enviado un impulso en las posiciones
(27-30). La distancia R se extiende desde la
posición (27-30) respectiva hacia una trayectoria
imaginaria de movimiento (31) para el movimiento de la plataforma.
La magnitud de R debe ser tal que se crea un nuevo movimiento
imaginario de la plataforma, en el que la dirección momentánea de
la antena es de 90° con respecto al movimiento de la plataforma
imaginaria. En otras palabras, esto significa que cuando se ha
utilizado un movimiento corregido para la recogida de datos, se
precisa una dirección constante de la antena en ángulo recto con
respecto al vector de movimiento, con el fin de iluminar la misma
área. La apariencia del movimiento corregido es poco significativa
siempre que se cumplan los requisitos anteriores.
La compensación de la aproximación comentada se
lleva a cabo de la manera más efectiva en el plano de la frecuencia
y su magnitud se obtiene mediante:
en las que c es la velocidad
de propagación de la señal y \lambda_{c} es la longitud de onda
de la
señal.
Según la invención, las mismas áreas objetivo
están iluminadas como en la disposición geométrica original de
recogida de datos de la figura 1, pero al haber realizado el
desplazamiento de señal (según T y \theta), se han eliminado las
características no deseadas de la señal, lo cual será comentado a
continuación. En el movimiento según la disposición geométrica
original, existe una aproximación entre plataforma y área objetivo,
lo cual da origen a dos efectos negativos en la señal. En primer
lugar, existe una cierta magnitud de variación de la distancia
(dependiendo de \omega_{s} y \nu_{p}) que significa que la
energía de la señal se desplaza a través de una serie de gamas
adyacentes o de entradas de distancia. Este efecto, ilustrado en la
figura 4a, tiene como resultado una dispersión en la distancia de
los objetivos enfocados. El desplazamiento en el tiempo descrito
anteriormente con referencia a la figura 3 compensa la variación de
la distancia, con lo cual la energía de la señal del objetivo
respectivo termina en la entrada correcta de la distancia. La
magnitud de la variación de distancia en la figura 4a es moderada,
dado que se combina una reducida velocidad de la plataforma con una
proporción de exploración elevada.
El segundo efecto que surge como resultado del
movimiento de aproximación es un desplazamiento de fase dependiente
del ángulo. Esto tiene como resultado un fenómeno de empaquetado no
deseado, que está ilustrado en la figura 5a. El empaquetado, que se
produce cuando no se cumple el teorema de muestreo de Nyquist,
implica un cambio de frecuencia desde \pi \rightarrow -\pi, ó
de -\pi \rightarrow \pi. Al compensar la fase de la señal
(según e) en proporción al desplazamiento anterior en tiempo, se
obtiene una cantidad de señal ajustada (centrada en cero), de
acuerdo con la figura 5b. Las líneas (32-36) en la
figura 5a y las líneas (37-41) en la figura 5b,
corresponden a la variación normalizada de frecuencia de los
objetivos iluminados (19-23). El teorema de muestreo
de Nyquist está descrito en la referencia Samir S. Soliman, Mandyam
D. Srinath. "Señales y sistemas continuos y discretos", ISBN
0-13-569112-5,
Prentice Hall.
\newpage
En la sección anterior se ha explicado como se
tiene en cuenta el movimiento de la plataforma. Con el fin de poder
realizar esto, se requiere un conocimiento preciso del movimiento.
Dado que los modernos sistemas de radar están siendo equipados cada
vez más con sistemas IMU (Unidad de medición inercial) puede
medirse con gran precisión el movimiento requerido de la
plataforma.
Según los requisitos anteriores, es preciso que
todos los objetivos estén separados mediante la frecuencia, con el
fin de que sea posible el enfoque mediante FFT. En la presente
memoria se explica con mayor detalle como se consigue.
Después de la compensación de aproximación,
todos los objetivos están centrados alrededor de la frecuencia
cero. Sin embargo, la variación de la frecuencia del objetivo varía
dependiendo de su posición angular. Unos ángulos pequeños del
objetivo tienen como resultado un ancho de banda de una frecuencia
limitada (magnitud del gradiente), lo que tiene como resultado una
baja resolución. El incremento de los ángulos del objetivo tiene
como resultado un ancho de banda más alto y por lo tanto una mejora
de la resolución. Con el fin de obtener la resolución que el ancho
de banda hace posible, es necesario eliminar la modulación de
frecuencia de todos los objetivos.
Con el fin de hacer que esto sea posible, es
necesario conocer la variación Doppler dependiente del ángulo. El
método propuesto utiliza un objetivo de referencia con respecto al
cual se calcula la variación de fase. Se crea una función de
referencia según lo siguiente:
- 1.
- se coloca un objetivo de referencia imaginario en la dirección de desplazamiento de la plataforma.
- 2.
- se supone que el objetivo de referencia está iluminado durante toda la distancia de vuelo y en todos los ángulos de la antena.
- 3.
- se calcula la variación de fase \theta_{ref} que se ha producido.
- 4.
- se crea una señal de referencia según \theta_{ref} = exp (j\theta_{ref}).
- 5.
- se compensa la aproximación S_{ref} (solamente debe tenerse en cuenta la fase).
La función de referencia propuesta puede ser
considerada como una señal creada en base a la diferencia de
distancia entre el movimiento de la plataforma (31) compensado por
la aproximación y el objetivo imaginario posicionado como
referencia. La variación de frecuencia calculada de esta forma
corresponde a la variación Doppler que se ha producido en toda el
área del objetivo. Únicamente la diferencia es un componente
constante de la frecuencia, lo cual hace posible la separación de
objetivos.
La figura 6a ilustra la variación normalizada de
frecuencia (42) de la función de referencia junto con los valores
correspondientes (37-41) de los objetivos
iluminados.
La figura 6b muestra como los objetivos
(37-41) están separados con respecto a la
frecuencia mediante desmodulación, es decir, mediante la
multiplicación de la cantidad de señal por la conjugada (43) de la
función de referencia (42). La capacidad de separación de objetivos
adyacentes aumenta para grandes ángulos de antena, a medida que
aumenta la derivada de la frecuencia, aumenta el gradiente de la
curva. Esto está de acuerdo con la ecuación para la resolución
angular comentada en la introducción a esta descripción, según la
cual con grandes ángulos del objetivo se obtiene una resolución
elevada.
Es digno de indicar que la función de referencia
(43) cruza los objetivos respectivos (37-41) por su
punto medio. Este hecho, que tiene gran importancia para la
presentación de la imagen final, será comentado más adelante en
esta sección.
Cuando se ha realizado la separación de
objetivos mediante la frecuencia, es posible en esta etapa el
enfoque angular utilizando un factor de cálculo con una
transformación de Fourier. Con el fin de optimizar el factor de
cálculo, la longitud de FFT se fija en una segunda energía mediante
relleno cero. La transformación de Fourier que integra la señal de
energía como función de la frecuencia, crea en este caso, según la
figura 7b, cinco puntos objetivo bien comprimidos.
Dado que la variación de frecuencia (59) de la
función de referencia no es lineal, los puntos objetivo
desmodulados quedarán asimismo separados de una forma no lineal en
lo que respecta a la frecuencia. El resultado es que, después del
enfoque angular, los objetivos originales posicionados de manera
simétrica están posicionados asimétricamente. Este hecho que está
ilustrado en la figura 7b y en la figura 8a, significa que debe
llevarse a cabo un nuevo muestreo relacio-
nado con el ángulo y relacionado con la frecuencia, con el fin de obtener una imagen de una forma geométrica correcta.
nado con el ángulo y relacionado con la frecuencia, con el fin de obtener una imagen de una forma geométrica correcta.
En el método según la invención, este nuevo
muestreo se lleva a cabo mediante una transformación del espectro
angular no lineal, a una escala angular lineal, según la figura 8b.
Los puntos objetivo en el modelo de simulación están situados de
este modo en la posición correcta, en la figura 8c, mediante
proyección, consultar las líneas (44-46),
(47-49), (50-52),
(53-55) y (56-58), del resultado no
lineal de la figura 8a en una escala lineal de frecuencia, en la
figura 8b. La proyección implica de este modo que el espectro
original ha sido desplazado en función de la diferencia entre las
escalas de frecuencia lineal y no lineal.
El nuevo muestreo tiene además como resultado
que la resolución del objetivo se convierte en dependiente del
ángulo. Con ángulos pequeños del objetivo se obtiene una resolución
menor, mientras que con ángulos grandes del objetivo se obtiene una
resolución mejorada. Esta conclusión, que está de acuerdo con la
ecuación para la resolución angular, está ilustrada en la figura
8c.
Anteriormente, se ha descrito un resultado que
se refiere a una antena con una proporción de exploración
constante. Sin embargo, puede ser atractivo variar la proporción de
exploración de la antena, de manera que la resolución angular
permanezca constante. Esto será descrito a continuación con mayor
detalle.
Un radar de reconocimiento tiene como tarea
principal la localización de objetivos interesantes mediante
imágenes generadas por el radar. Con el fin de que existan
condiciones idénticas con respecto a la detección y el análisis, se
requiere una resolución constante en la totalidad del área
iluminada. Esto puede ser conseguido mediante una variación
adecuada de la proporción de exploración.
En la ecuación referente a la resolución angular
comentada anteriormente, se incluyó un factor de adelgazamiento del
haz, según:
Tal como existe una correlación entre el
adelgazamiento del haz R_{FSAR} y la proporción de
exploración es, existe asimismo una correlación correspondiente
entre resolución y proporción de exploración. Despejando la
proporción de exploración y suponiendo un valor constante para el
factor de adelgazamiento de haz, se determina la proporción de
exploración necesaria.
La figura 9 ilustra como puede modificarse la
proporción de exploración en función del ángulo de antena. La
utilización del resultado en la figura 9 proporciona un tiempo de
integración T_{int} dependiente del ángulo, el cual viene
dado por la anchura efectiva del haz de antena dividido por la
proporción de exploración. El tiempo de integración corresponde al
tiempo en que un objetivo específico está dentro del campo de
visión de la antena.
La ecuación anterior combinada con el resultado
de la figura 9 muestra que los objetivos con ángulos pequeños,
próximos a la dirección de desplazamiento, están iluminados durante
más tiempo que los objetivos con ángulos mayores. De esta forma se
hace posible una resolución constante.
Una de las ventajas del algoritmo SAR propuesto
es que también maneja datos sin depurar captados con una proporción
de exploración variable. Dado que la proporción de exploración está
incluida en la creación de la función de referencia, no se precisa
ningún ajuste adicional del método de enfoque. Con el fin de
ilustrar la afirmación anterior, el escenario de la figura 2 es
simulado, pero con una proporción de exploración variable.
Las figuras 10a, 10b y la figura 11 ilustran el
efecto del movimiento de aproximación (comparar con las figuras 4a,
4b y 5b). Dado que el tiempo de iluminación varía, la magnitud de
la variación de la distancia depende del ángulo, ver figura 10a.
Después del desplazamiento en el tiempo, la energía de la señal
está comprendida dentro de la entrada de distancia correcta. De
ello resulta el correspondiente desplazamiento de fase, según la
figura 11, en todos los objetivos que están centrados alrededor de
la frecuencia cero, exactamente igual que antes. La compensación
del enfoque está pues de acuerdo con la realización comentada
anteriormente.
La creación de la función de referencia para la
desmodulación/separación de objetivos, es llevada a cabo según el
método descrito anteriormente. El resultado se muestra en las
figuras 12a y 12b que ilustran la variación de frecuencia del
objetivo (37-41), además de la frecuencia
normalizada (42) de la función de referencia. La figura 12b muestra
el resultado después de la desmodulación. La conjugada de la
frecuencia normalizada de la función de referencia recibe el
numeral de referencia (43) en la figura 12b. En este estado se
obtiene la resolución independiente del ángulo mediante la
combinación predefinida entre el tiempo de integración y la
derivada de la frecuencia.
La figura 13 ilustra el resultado de la cantidad
de señal desmodulada después del enfoque angular. El resultado se
introduce directamente en el diagrama en una escala angular
corregida con el fin de obtener la posición angular correcta. El
resultado ilustra claramente que puede obtenerse asimismo una
resolución constante cuando se utiliza un radar de exploración.
Los niveles relativamente elevados de los
lóbulos laterales se deben a no haber realizado una evaluación de
la amplitud. No obstante, es totalmente posible introducir una
evaluación de la amplitud según los principios conocidos en el
campo de la tecnología del radar.
La invención no está limitada a las
realizaciones descritas anteriormente, sino que puede ser
modificada dentro del esquema de las siguientes reivindicaciones de
la patente.
Claims (16)
1. Método para el cartografiado del escenario de
un objetivo mediante un radar de exploración de apertura sintética,
utilizando el efecto Doppler que se origina en el caso de
movimiento entre el radar y el escenario del objetivo, en el cual
se calcula el movimiento de una plataforma sobre la cual está
montada la antena del radar utilizando datos de navegación
obtenidos para la plataforma, caracterizado porque para la
compensación del desplazamiento (7) en tiempo y fase dependiente
del movimiento de la plataforma, se transforma impulso a impulso
una cantidad de señal recibida (6) en forma de datos sin depurar,
en una cantidad de señal (9, 10) corregida en movimiento mediante
el desplazamiento en tiempo y en fase, dependiente del movimiento
de la plataforma a lo largo de un movimiento imaginario (31) de la
plataforma, dirigido de tal forma que la dirección momentánea de la
antena está esencialmente a 90° con respecto a la dirección del
movimiento de la plataforma imaginaria.
2. Método, según la reivindicación 1,
caracterizado porque la compensación del desplazamiento (7)
en tiempo y en fase, dependiente del movimiento de la plataforma,
es llevada a cabo en el plano de la frecuencia, y porque su
magnitud en tiempo T y fase \theta se obtiene mediante las
correlaciones:
en la que R es la distancia a un
eco respectivo a desplazar (figura 3), c es la velocidad de
propagación y \lambda_{c} es la longitud de onda de la
señal.
3. Método según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
cantidad de señal recibida (3) está comprimida en impulsos (4), de
manera adecuada en combinación con la transformación en una
cantidad de señal corregida en movimiento (9, 10).
4. Método según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se crea
una función de referencia (11) mediante:
- 1.
- la colocación de un objetivo de referencia en la dirección de desplazamiento de la plataforma.
- 2.
- la suposición de que el objetivo de referencia está iluminado durante todo el movimiento de la plataforma y en todos los ángulos de la antena.
- 3.
- el cálculo de la variación de fase \theta_{ref} que se ha originado.
- 4.
- la creación de una señal de referencia según S_{ref} = exp(j\theta_{ref}).
- 5.
- la compensación de la aproximación S_{ref}.
- y porque la cantidad de señal (9, 10) está desmodulada (11) mediante la multiplicación por la conjugada de la función de referencia.
5. Método, según la reivindicación 4,
caracterizado porque la cantidad de señal desmodulada (13)
está enfocada angularmente (14) mediante un factor de cálculo con
una transformación de Fourier (FFT).
6. Método, según la reivindicación 5,
caracterizado porque la cantidad de señal enfocada
angularmente (16) es proyectada en una escala lineal de frecuencia
(17).
7. Método, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
proporción de exploración del radar de exploración se mantiene
constante.
8. Método, según cualquiera de las
reivindicaciones 1-6 anteriores,
caracterizado porque la proporción de exploración del radar
de exploración varía (figura 9) con el fin de obtener una
resolución esencialmente constante (figura 13) dentro del área
explorada.
9. Método, según la reivindicación 8,
caracterizado porque la proporción de exploración
\omega_{s} del radar se determina mediante la correlación:
en la que \lambda corresponde a
la longitud de onda de la señal, \nu_{p} es la velocidad de la
plataforma, R_{FSAR} es el factor de adelgazamiento del haz, 1 es
la dimensión física de la antena y \Phi es el ángulo de la
antena.
10. Método, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el
cartografiado del escenario del objetivo es llevado a cabo dentro
de un margen angular de una magnitud aproximada de \pm 30°
durante la aproximación hacia el escenario del objetivo.
11. Método, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los datos
de navegación de la plataforma se obtienen a partir de un sistema
INU (IMU + INS) conectado a la plataforma.
12. Método, según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se
utilizan otros métodos de cartografiado basados en radar, asociados
con el método en ciertas partes de la gama a cartografiar.
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