ES2350875T3

ES2350875T3 - Procedimiento para medir la velocidad radial de un objetivo con un radar doppler.

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Publication number: ES2350875T3
Application number: ES08162331T
Authority: ES
Inventors: Recep Firat Tigrek; Wilhelmus Johannes Augustinus De Heij
Original assignee: Thales Nederland BV
Current assignee: Thales Nederland BV
Priority date: 2008-02-22
Filing date: 2008-08-13
Publication date: 2011-01-27
Anticipated expiration: 2028-08-13
Also published as: ZA200901119B; ATE483173T1; EP2093589A1; DE602008002813D1; US20090237292A1; US8081105B2; IL197044A0; CA2654615A1; EP2093589B1; IL197044A

Abstract

Un procedimiento para medir la velocidad radial de un objetivo con un radar, que comprende los siguientes pasos: -un paso de transmitir una forma de onda p del tipo ortogonal Multiplexado por División de Frecuencia Ortogonal, OFDM, que comprende N portadoras de frecuencia transmitidas simultáneamente, en la que m = 0, 1, ... N-1 y N , teniendo la frecuencia de las portadoras una fase inicial y estando codificada con el fin de mejorar la respuesta Doppler, comprendiendo la forma de onda p los elementos de OFDM y los intervalos de tiempo de guarda que se transmiten sucesivamente para formar una transmisión de onda continua, siendo más larga la duración Tcyc de los intervalos de tiempo de guarda que **(Ver fórmula)**en la que c es la velocidad de la luz, que es el tiempo necesario para que la forma de onda p se refleje desde un alcance de interés máxima Rmax; -un paso de recibir la forma de onda retornada por eco desde el objetivo, en el que: la fase inicial de cada portadora de frecuencia se recupera a partir de la forma de onda retornada por eco; la fase inicial recuperada de cada frecuencia portadora pm se desplaza cíclicamente con el fin de compensar el efecto Doppler; la fase inicial m recuperada de cada frecuencia portadora pm se descodifica; se sintetiza un impulsos comprimido a partir de las fases iniciales descodificadas.

Description

La invención se encuentra en el campo del radar y técnicas similares de medida de alcance, que detectan objetivos remotos y determinan parámetros de los objetivos, tales como el alcance y la velocidad radial. La invención se refiere a la estructura de la señal y a la técnica de proceso asociada que calcula el alcance del objetivo y la velocidad radial.

Los sistemas de detección determinan los parámetros de los objetivos tales como el alcance y la velocidad radial, transmitiendo una forma de onda y comparando, por medio de diversos procedimientos de proceso, la forma de onda transmitida y la señal recibida que es retornada por eco desde el objetivo. El alcance del objetivo se determina por medio de la medición del tiempo de llegada del eco y la velocidad radial se mide por medio del efecto Doppler, que es producido por la señal retornada por eco de un objetivo con una velocidad radial distinta de cero. El efecto Doppler se manifiesta como un desplazamiento en la frecuencia de los radares de portadora única cuando la aproximación de la señal de banda estrecha es válida. Para medir el efecto Doppler, la fase del eco recibido se compara con la fase de la señal transmitida. La técnica utilizada para medir el desplazamiento de frecuencia depende de la forma de onda del radar.

Los atributos importantes de un sistema de radar, entre otros, son resolución del alcance y de la velocidad radial y la ambigüedad. La resolución es el parámetro mínimo de separación entre los dos objetivos de manera que sean identificados por el sistema de radar como objetivos distintos. La ambigüedad es el caso en el que el valor del parámetro de forma de onda medida puede corresponder a más de un valor del parámetro de objetivo. Con la elección de la forma de onda y de la técnica de proceso que determinan la resolución y la ambigüedad, el objetivo es medir los parámetros de objetivo no ambigua para un alcance máximo determinado y velocidad, con alta resolución.

La tendencia actual en los sistemas de radar es formar redes de radares para mejorar el rendimiento del sistema por medio de la fusión de datos. Tales redes se deben llevar a cabo por medio de un sistema de comunicación que sea independiente de la infraestructura de comunicación comercial por requisitos de fiabilidad. La comunicación inalámbrica es preferible por la misma razón. La integración de la comunicación en la señal de radar se considera como una solución que permite el doble uso del transmisor de radar, con una mayor seguridad de las comunicaciones.

En los radares pulsantes Doppler, la ambigüedad en la velocidad radial se resuelve mediante la variación de la frecuencia de repetición de impulsos (PRF) o de la frecuencia portadora (RF) de ráfaga a ráfaga. La velocidad radial máxima no ambigua está relacionada con la frecuencia de repetición de impulsos y con la frecuencia portadora por medio de la ecuación

imagen1

en la que fp es la frecuencia de repetición de impulsos y λ es la longitud de onda portadora. La variación de cualquiera de las dos produce una velocidad ambigua máxima diferente.

La velocidad obtenida por el proceso de Doppler se puede escribir como

imagen1

en la que v es la velocidad real, v0 es la velocidad medida que es menor que la velocidad no ambigua máxima, y n es un número entero. Cuando se obtienen dos velocidades no ambiguas máximas diferentes como consecuencia de variar la PRF o la RF, la velocidad real puede ser determinada por medio de la ecuación anterior.

La elección de la PRF también afecta la ambigüedad de alcance. El alcance no ambiguo máximo que pueden ser medido con la PRF dada es

imagen1

De manera similar a la ambigüedad Doppler, la medición de alcance que se obtiene del proceso de alcance se puede escribir como

imagen1

en la que R es el alcance real, R0 es el alcance medido, que es menor que el alcance no ambiguo máximo, y n es un número entero.

Los radares pulsantes tienen una capacidad de potencia de transmisión limitada debido al bajo ciclo de trabajo que se requiere para la medición de alcance no ambigua y de alta resolución. Las técnicas de compresión de impulsos aumentan la potencia media transmitida repartiendo la energía de los impulsos sobre una porción más larga del período de impulsos. Una de las técnicas de compresión de impulsos es la codificación de fases de la forma de onda transmitida, en la que los códigos de fase se pueden disponer para producir perfiles favorables con lóbulos laterales de alcance inferiores. El alcance es medido por la correlación de la forma de onda codificada de fase transmitida con el eco recibido. Los picos de correlación corresponden a la localización de los reflectores significativos, y la variación de fase de los picos de correlación de impulso a impulso se utiliza para medir la velocidad radial de los reflectores.

Otra técnica de compresión de impulsos es transmitir un impulso modulado en frecuencia que barre una banda de frecuencias durante la duración del impulso. A medida que la frecuencia de batido, que se produce por mezclar la réplica de la señal transmitida y el eco recibido, está gobernada tanto por el retardo como el desplazamiento de frecuencia debido a la velocidad radial del objetivo, las mediciones de alcance y de velocidad radial se acoplan una con la otra en forma de radar pulsante lineal FM. La ambigüedad de la velocidad radial persiste, puesto que la variación de fase de los picos de correlación de impulso a impulso se utiliza para medir la velocidad radial de los reflectores como en el radar pulsante codificado en fase.

Los radares de onda continua (CW) puede tener señales codificadas en fase o moduladas en frecuencia, de forma similar a los radares pulsantes. Matemáticamente, la señal de radar de CW se puede considerar como un tren de impulsos compuesto de impulsos con un ciclo de trabajo del 100%. Las mismas técnicas de medición de compresión de impulsos y de Doppler se aplican al radar de CW.

La patente norteamericana número 6392588 desvela la señal de radar portadoras múltiples poniendo el énfasis en la reducción de los lóbulos laterales de alcance y pico bajo con respecto a la relación de potencia de envoltura media, que es proporcionada por el uso de secuencias de fase específicas para modular las portadoras. Las secuencias de fase propuestas en la patente, que se denomina señal de Fase de Multifrecuencia Complementaria Codificada (MCPC) está basada en la modulación de M sub -portadoras por secuencias de longitud M que forman un conjunto complementario. Los lóbulos laterales de alcance se controlan por medio de coeficientes de ponderación de frecuencia y por el uso de impulsos adicionales de manera que las secuencias a lo largo de la portadora constituyen un conjunto complementario en el tiempo.

La tolerancia Doppler de la señal del radar portadoras múltiples es examinada en el artículo: G. E. A. Franken, H. Nikookar, P van Genderen, "Tolerancia Doppler de OFDM de las Señales de Radar codificadas por OFMD", Proc. 3ª Conferencia Europea de Radar, septiembre 2006, Manchester, Reino Unido. La degradación de la ganancia de compresión de impulsos para la forma de onda de OFDM se demuestra en el artículo, con la propuesta de un banco de filtros Doppler, las respuestas de los cuales se cruzan con una pérdida de compresión de 1 dB. Se propone que se construya el banco de filtros mediante el uso de señales de referencia en el filtro de compresión que son desplazadas en frecuencia para obtener la respuesta que se ha explicado más arriba.

El uso doble de la OFDM como la forma de onda del radar y para las comunicaciones es examinado en el artículo: D. Garmatyuk, J. Schuerger, T. Y. Morton, K. Binns, M. Durbin, J. Kimani "Estudio de Viabilidad de un Sistema de Radar de Formación de Imágenes y Comunicaciones con una Multi-Portadora de Doble Uso", en Proc. 4ª Conferencia Europea de Radar, 2007, páginas.194 -197. La inspección considera la formación de imágenes SAR con forma de onda de OFDM y las comunicaciones por medio de OFDM, por separado.

La patente norteamericana número 6720909 desvela la técnica de proceso para una forma de onda de radar pulsante Doppler de portadora única. La técnica resuelve la ambigüedad de Doppler y de alcance por escalonamiento de las posiciones de impulsos. El escalonamiento permite la resolución de la ambigüedad de alcance causada al ser el intervalo de impulsos más corto que el alcance máximo de interés. El escalonamiento también aumenta la velocidad radial no ambigua máxima a un valor superior, que es determinado por la bisectriz menor de los intervalos de impulsos escalonados.

En los sistemas de radar pulsantes Doppler, la frecuencia de repetición de impulsos o la frecuencia de la portadora es variada de ráfaga a ráfaga para resolver la ambigüedad en la velocidad radial. Sin embargo, puesto que la resolución de la velocidad radial es determinada por el tiempo sobre el objetivo, el desplazamiento de parámetro sólo se puede realizar después de que la resolución requerida se consiga con la ráfaga de impulsos actual. Esto, a su vez, requiere que el haz del radar se mantenga más tiempo sobre el objetivo.

Las técnicas de compresión de impulsos basadas en la codificación de fases del impulso transmitido son intolerantes a Doppler; la ganancia de compresión disminuye rápidamente con el aumento del efecto Doppler. La exacerbación de la compresión de impulsos depende del desplazamiento de fase introducido por el efecto Doppler durante un elemento de fase en el impulso, y se informa de un deterioro significativo del lóbulo lateral de alcance en los desplazamientos de fase superior a 30 -40 grados por elemento en el artículo: R. M. Davis, R. L. Fante, R. P. Perry "Formas de Onda Codificadas en Fase para Radar", IEEE Trans. Aerospace and Electronic Systems, vol. 43, número 1, enero 2007.

En el artículo anterior, se propone el uso de impulsos de compresión más cortos o múltiples filtros de compresión de impulsos, estando sintonizado cada filtro a una frecuencia Doppler diferente, para mitigar la intolerancia Doppler. Los impulsos de compresión más cortos corresponden a la frecuencia de repetición de impulsos más altos si los niveles de pico y de consumo medio se deben mantener constantes, lo cual a su vez produce ambigüedad en el alcance.

El segundo enfoque en el artículo es utilizar un banco de filtros de compresión de impulsos, correspondiéndose cada filtro a las réplicas de la forma de onda transmitida con diferentes frecuencias Doppler. En el artículo, el uso de los filtros está restringido a la mitigación de la pérdida de compresión; los datos de diferentes intervalos de proceso coherentes son necesarios para resolver la ambigüedad en la velocidad radial, lo que corresponde a la utilización de múltiples trenes de impulsos.

La Patente norteamericana 6392588 describe la forma de onda MCPC multiportadora.

El artículo: G. E. A. Franken, H. Nikookar, P. van Genderen "Tolerancia Doppler de las Señales de Radar Codificadas OFDM", Proc. 3ª Conferencia Europea de Radar, Septiembre 2006, Manchester, Reino Unido propone una técnica para mitigar la pérdida de compresión debida al efecto Doppler.

Un radar Doppler que utiliza dos impulsos de portadoras múltiples se propone en el artículo: J. Duan, Z., He, C. Han, "Un Novedoso Radar Doppler utilizando solamente dos Impulsos", Radar 2006, CIE'06, octubre 2006. La fase diferencial entre los dos impulsos o cada portadora es medida para determinar la velocidad radial del objetivo. El artículo aborda la medición no ambigua de la velocidad radial y las portadoras se supone que son recuperables de manera independiente después de la alineación de la puerta de alcance.

En el artículo: D. Garmatyuk, J. Schuerger, T. Y. Morton, K. Binns, M. Durbin, J. Kimani, "Estudio de Viabilidad de un Sistema de Radar de Formación de Imágenes y Comunicaciones con una Multi-Portadora de Doble Uso", en Proc. 4ª Conferencia Europea de Radar, 2007, páginas194 -197, el enfoque es en la formación de imágenes en alcance cruzado. La patente norteamericana número 6720909 se relaciona con las formas de onda de radar Doppler pulsan-te de portadora única, en la que el ciclo de trabajo y la potencia media transmitida es baja.

La invención desvelada en la presente solicitud resuelve la ambigüedad Doppler por medio de la compensación Doppler antes de la compresión de impulsos, mejorando al mismo tiempo la potencia media y permitiendo el ancho de banda de la señal alto gracias a la estructura de las portadoras múltiples.

La técnica anterior enseña que los trenes de impulsos consecutivos con diferentes RF o diferentes PRF deben ser utilizados para resolver la ambigüedad de la velocidad radial. Este es uno de los problemas que la presente invención tiene por objeto solucionar.

El procedimiento dado en el artículo: J. Duan, Z. He, C. Han, "Un Novedoso Radar Doppler que Utiliza solamente Dos Impulsos", Radar 2006, CIE'06, octubre 2006, requiere la transmisión de la misma forma de onda portadoras múltiples dos veces sin ningún tipo de codificación en las portadoras, mientras que los otros procedimientos requieren codificación específica de las portadoras.

El intervalo de guarda es un componente crucial de la forma de onda portadoras múltiples. Los efectos de trayectoria múltiple son eliminados de la forma de onda cuando la duración del intervalo de guarda es mayor que la longitud del canal. Los efectos de trayectoria múltiple introducen interferencia entre los símbolos e interferencia entre portadoras, lo que conduce a un elevado porcentaje de bits de error en las comunicaciones.

La introducción de la repetición cíclica de la forma de onda como intervalo de guarda puede introducir ambigüedad de alcance, un problema que se resuelve inherentemente en la presente invención, debido a que el sistema de recepción está diseñada para utilizar el prefijo cíclico. El prefijo cíclico se utiliza en la presente invención como en una forma de onda de comunicaciones, siendo más larga la duración del prefijo cíclico que el tiempo de respuesta del alcance máximo de interés. Tal limitación de tiempo permite la recuperación de las fases iniciales de la portadora, que permite el desplazamiento de frecuencia Doppler así como la compresión de impulsos.

La presente invención pretende proporcionar una técnica de proceso que es aplicable a una forma de onda de compresión de impulsos con una estructura de portadoras múltiples, que comprende una forma de onda de OFDM. La forma de onda y la técnica correspondientes propuestas miden la velocidad radial usando un tren de impulsos, sin necesidad de utilizar trenes de impulsos consecutivos con diferentes RF o diferentes frecuencias de repetición de impulsos para resolver la ambigüedad de la velocidad radial. Una idea importante del proceso está basada en la ganancia de compresión de impulsos deteriorantes debido al efecto Doppler que se manifiesta como un desplazamiento de la frecuencia RF.

De acuerdo con uno de sus aspectos, la presente invención puede proporcionar un procedimiento para medir la velocidad radial de un objetivo con un radar. El procedimiento comprende una etapa de transmitir una forma de onda de OFDM que comprende N portadoras de frecuencia transmitidas simultáneamente, en la que m = 0, 1 ,..., N-1 y N ≥ 2, estando codificadas las portadoras de frecuencia con el fin de mejorar la respuesta Doppler. La forma de onda p comprende los elementos de OFDM y los intervalos de tiempo de guarda que se transmiten sucesivamente para formar una transmisión de onda continua, siendo la duración Tcyc de los

intervalos de tiempo de guarda más largos que imagen1 , en la que c es la velocidad de la luz, que es el tiempo necesario para que la forma de onda p se refleje en un alcance máximo de interés Rmax. El procedimiento también comprende una etapa de recibir la forma de onda retornada por eco del objetivo. La fase inicial φm de cada frecuencia portadora pm se recupera de la forma de onda retornada por eco. La fase inicial recuperada φm de cada portadora de frecuencia pm se desplaza cíclicamente con el fin de compensar el efecto Doppler. La fase inicial φm recuperada de cada frecuencia portadora pm es descodificada. Un impulso comprimido se sintetiza a partir de las fases iniciales descodificadas.

Preferiblemente, la fase inicial φm de cada portadora de frecuencia pm se puede recuperar de la forma de onda retornada por eco en virtud de una Transformada Discreta de Fourier, que comprende multiplicar un vector s que contienen muestras de la forma de onda retornada imagen1 por eco de una matriz

de la Transformada Discreta de Fourier, y que pueden ser implementada por medio de un algoritmo de Transformada Rápida de Fourier (FFT). La fase inicial recuperada φm de cada portadora de frecuencia pm puede ser desplazada cíclicamente por un proceso, que comprende multiplicar el resultado del algoritmo precedente por una matriz C-1, representando la matriz C el desplazamiento de los portadoras de frecuencia debido al efecto Doppler. La fase inicial recuperada φm de cada portadora de frecuencia pm puede ser descodificada por un proceso, que comprende multiplicar el resultado del proceso anterior por una matriz P = diag{ϕ*} donde φT=[φ0 φ1 φ2 ... φN-1]. El impulso comprimido puede ser sintetizado a partir de las fases iniciales descodificadas de una Transformada Discreta Inversa de Fourier, que comprende multiplicar el resultado del proceso anterior por la matriz 3-1, y que pueden ser implementada por medio de un algoritmo de Transformada Inversa Rápida de Fourier (IFFT).

Por ejemplo, las portadoras de frecuencia pueden ser codificadas en fase distribuyendo de manera uniforme sus fases iniciales en un intervalo [0, 2π]. Las portadoras de frecuencia también pueden ser codificadas en amplitud aplicando un conjunto de coeficientes de ponderación. Por ejemplo, el conjunto de coeficientes de ponderación puede ser un conjunto de coeficientes de Hamming.

Preferiblemente, la forma de onda de OFDM puede abarcar elementos de OFDM y los intervalos de tiempo de guarda que pueda ser transmitidos sucesivamente para formar una transmisión de onda continua. La duración Tcyc de los intervalos de tiempo de guarda son más

largos que imagen1 en la que c es la velocidad de la luz, que es el tiempo necesario para que la forma de onda de OFDM sea reflejada desde el alcance máximo de interés Rmax. A continuación, las fases de recuperación inicial φm de cada portadora de frecuencia pm preferiblemente pueden ser desplazadas cíclicamente con el fin de abarcar todas las velocidades de interés. Esto puede permitir generar perfiles Doppler que sólo cubren el alcance de velocidad correspondiente al desplazamiento cíclico, resolviendo así la ambigüedad de Doppler.

Preferiblemente, la energía en la ambigüedad que corresponde a

imagen1

se puede disminuir hasta

en la que s es un número entero positivo y α es la relación entre la duración Tcyc del intervalo de tiempo de guarda y la duración del elemento OFDM.

Ejemplos no limitativos de la invención se describen a continuación con referencia a los dibujos adjuntos, en los que:

•: la figura 1 ilustra un diseño de proceso de ráfaga de impulsos Doppler;

•: la figura 2 ilustra una comparación de los tiempos y de perfil de alcance;

• la figura 3 ilustra una modificación de las ambigüedades en el caso de un tren de impulsos uniforme, en el caso de un elemento de OFDM individuales y en el caso de un tren de impulsos de OFDM;

•: la figura 4 ilustra un ejemplo de escenario;

•: la figura 5 ilustra los perfiles de alcance para los resultados de la Transformada Rápi

da de Fourier (FFT) Doppler;

•: la figura 6 ilustra un proceso Doppler que resuelve la ambigüedad, respuesta total;

•: la figura 7 ilustra un proceso Doppler que resuelve la ambigüedad, FFT para diferentes compensaciones de Doppler;

•: la figura 8 ilustra un proceso Doppler que resuelve la ambigüedad, respuesta de la compensación de Doppler;

•: la figura 9 ilustra un proceso Doppler que resuelve la ambigüedad, ambigüedad en la respuesta de FFT.

La estructura de la señal utiliza múltiples portadoras que forman la forma de onda de OFDM. La forma de onda de OFDM p(n) es la suma de las portadoras pk (η), presentada en forma discreta como

imagen1

en la que xm exp{jφm} es la amplitud y la fase del símbolo complejo que modula la portadora m, N es el número de portadoras, y T=1/�f es la duración del símbolo, siendo �f la separación de las portadoras. Por lo tanto, la portadora m tiene una amplitud xm y una fase inicial φm. Los símbolos complejos que modulan cada portadora pueden ser considerados como que se transmiten en paralelo. El procedimiento de proceso que se presenta aquí no impone limitaciones en la elección de las fases de los símbolos, cubriendo todos los diseños de codificación de fases como se aplican en las aplicaciones de radar y comunicación.

Se dice que las portadoras son ortogonales con la relación:

imagen1

La relación matemática entre las portadoras ortogonales se mantiene solamente cuando la forma de onda, que se denomina elemento de OFDM, es de duración T = 1/�f. Por lo tanto, las portadoras son ortogonales en el receptor cuando el marco recibido tiene una duración T y se superpone completamente al elemento transmitido.

Para proporcionar robustez frente a los efectos de las trayectorias múltiples en las aplicaciones de comunicación, el elemento de OFDM es precedido por un intervalo de tiempo de guarda, que tiene una duración de tiempo más larga que la respuesta del canal. El intervalo de tiempo de guarda normalmente se genera copiando una sección con la duración del tiempo requerida desde el final del elemento de OFDM. Un intervalo de tiempo de guarda de este tipo se denomina prefijo cíclico.

El momento de la transmisión y recepción, y su comparación con el perfil de alcance se presenta en la figura 2. El elemento de OFDM transmitido es precedido por el prefijo cíclico, con una duración

imagen1

en la Rmax es el alcance máximo de objetivo que el radar tiene para detectar el objetivo, y c es la velocidad de la luz. Los elementos de OFDM que constituyen la ráfaga de impulsos se transmiten sucesivamente sin ninguna interrupción; la forma de onda transmitida es en realidad una onda continua.

El eco recibido de un punto objetivo después de la conversión descendente es

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en la que R es el alcance y la v es la velocidad radial del punto objetivo, y fc es la frecuencia de la portadora de RF. En esta expresión, el tiempo t se inicia al principio de la transmisión del elemento de OFDM real. La recepción de los ecos se inicia tan pronto como el prefijo cíclico finalice y el elemento real comience a ser transmitido, y la duración de la recepción es igual a la

15 duración del elemento. Un elemento clave del diseño de OFDM que se muestra en la presente memoria descriptiva es que las portadoras son ortogonales entre sí. El prefijo cíclico se extiende en la duración de la forma de onda de tal manera que el eco recibido del objetivo más distante constituye un elemento de OFDM completo durante el marco recibido.

La compresión de impulsos se consigue compensando las portadoras en sus fases ini

20 ciales. Esta operación concentra la energía en el eco recibido alrededor de la muestra de dominio del tiempo que corresponde al alcance del objetivo; de esta manera, la forma de onda de OFDM con fases iniciales cero en todas las portadoras puede ser considerada como un impulso en el dominio del tiempo. La mayor parte de la energía de la forma de onda se concentra en un intervalo de tiempo estrecho, que está determinado por el ancho de banda de la forma de

25 onda. Al igual que en el radar pulsante Doppler, los perfiles Doppler se obtienen como resultados de la DFT sobre los impulsos comprimidos para cada celda de alcance, puesto que la variación de fase desde el pico de un impulso al siguiente proporciona el desplazamiento Doppler de la forma de onda.

La forma de onda de OFDM está compuesta por un número de portadoras ortogonales, 30 y el efecto Doppler en la forma de onda de OFDM puede ser considerado como el desplazamiento del espectro en una cantidad determinada por la velocidad radial del reflector. La pro

piedad del espectro de la OFDM permite la compensación Doppler de una manera directa mediante la implementación de un desplazamiento cíclico de la salida de la FFT en el receptor. De esta manera, no hay necesidad de equipos separados para aplicar la compensación Doppler haciendo corresponder bancos de filtración o para generar réplicas desplazadas de la frecuencia de la señal de referencia.

El diseño de proceso de la Ráfaga de Impulso Doppler se presenta en la figura 1. El

proceso de la Ráfaga de Impulso Doppler se presenta aquí en forma de matriz. Las muestras

recibidas se pueden organizar en un vector s tal que

10 enlaque

imagen1

15

en la que [ ]T es el transpuesto. El desplazamiento de las portadoras debido al efecto Doppler es evidente en las matrices r y β. La matriz β es la misma que la matriz de la Transformada Discreta Inversa de Fourier (IDFT) cuando 2v / c <<1. El modelo de la señal recibida incluye la escala de tiempo debido al efecto Doppler, que modifica la matriz de la IDFT en el diseño 20 transmisor de OFDM. La escala de tiempo se desprecia aquí al sustituir β por la matriz IDFT

imagen1

La compensación Doppler tiene por objeto compensar este desplazamiento de las portadoras debido al efecto Doppler procedente de la portadora de alta frecuencia. La compensación Doppler se lleva a cabo desplazando cíclicamente las portadoras de nuevo a sus localiza

ciones verdaderas. El vector recibido s se procesa como

imagen1

en la que P es la matriz de compensación de fase, C-1 es la matriz de desplazamiento cíclico inverso, y imagen1 es la matriz de la Transformada Discreta de Fourier (DFT), que es implementada por medio del algoritmo FFT. Sustituyendo s de (5) en (7) proporciona

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Para las velocidades:

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por r desde la derecha, como se ve en . El desplazamiento cíclico de las filas de la matriz de la IDFT se puede representar de otra forma como

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en la que C es el desplazamiento cíclico de la matriz. La matriz de desplazamiento cíclico C representa el desplazamiento cíclico de las portadoras debido al efecto Doppler. La matriz de la IDFT se implementa por un algoritmo de la Transformada Inversa de Fourier (IFFT). Por lo tanto, el desplazamiento cíclico inverso compensa los efectos del Doppler, lo que permite la compensación de las fases iniciales correctamente.

imagen4

en al que [ ]* es el complejo conjugado. Una matriz A que sea diagonal permite el cambio de los órdenes de las matrices A y P. Como resultado, la compensación de fase cancela las fases de inicio y solamente los elementos de la matriz A quedan en el vector resultante y, que es procesado por una matriz de IDFT. Esta técnica de proceso es válida cuando la forma de onda recibida es sobremuestreada en el dominio de la frecuencia por relleno cero antes de la FFT.

El deterioro de la ganancia de compresión de impulsos debido al efecto Doppler es aprovechado para resolver la ambigüedad resultante de la frecuencia de repetición de impulsos de la forma de onda de la ráfaga de impulsos. El cambio en la ganancia de compresión de impulsos debido al desplazamiento Doppler se puede determinar teniendo en cuenta la función de ambigüedad de la forma de onda de la OFDM. La función de ambigüedad se define como

imagen1

en la que p(t) es la forma de onda transmitida, τ es el retraso y fd es la frecuencia Doppler. El procedimiento de proceso desvelado aquí es equivalente a la forma discreta de la función de ambigüedad. Dado en forma de matriz en (5), s(n) es equivalente al retraso y la versión desplazada Doppler de p(n). Por lo tanto, se puede escribir la función de ambigüedad para el elemento de único de OFDM como

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que se puede escribir como

imagen2

en la que

y

imagen1

Cuando se utilizan fases completamente aleatorias de manera que el valor esperado de los vectores de fase en el plano complejo es cero, los términos en los que m ≠ k se eliminan.

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La magnitud de la función de la ambigüedad se puede simplificar aún más a

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Esta función de ambigüedad para un único elemento de OFDM forma la base de la función de la ambigüedad de la ráfaga de impulsos

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que se deriva en la publicación de N. Levanon, "Principios de Radar", Wiley 1988.

La ganancia de compresión modifica la ambigüedad que está asociada con la frecuen

cia de repetición de impulsos del tren de impulsos, como se muestra en la figura 3. En la figura,

imagen5

en la que α es la relación entre el intervalo de tiempo de guarda y la actual longitud del elemento de OFDM, T=1/�f,, mientras que los ceros de la función sinc (x) = sen (x) / x están separados por

imagen1

Las ambigüedades derivadas de la utilización del tren de impulsos uniformes son modificadas por la ambigüedad del único elemento de OFDM, que es una función sinc en el corte de retardo cero debido a la utilización de fases completamente aleatorias. La mejora está relacionada con α, la relación entre el intervalo de tiempo de guarda con la longitud del elemento de OFDM real, por medio de la ecuación

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en la que As,OFDM es la amplitud de la ambigüedad que corresponde a

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siendo s un número entero positivo, denominado número de la ambigüedad. La ambigüedad se produce en cada múltiplo de la frecuencia de repetición de impulsos. La primera ambigüedad 25 corresponde a s = 1. Aunque sin intervalo de tiempo de guarda, las ambigüedades parecen ser eliminadas,

las portadoras de la forma de onda de OFDM ya no son ortogonales en ese caso. El diseño de compresión de impulsos, que se basa en que las portadoras sean ortogonales, ya no funciona.

La compensación Doppler que actúa como un filtro proporciona una manera de resolver la ambigüedad utilizando una ráfaga de impulsos. Cuando la ganancia de compresión de impulsos se deteriora con la compensación Doppler no coincidente, las velocidades ambiguas que requieren diferentes compensaciones Doppler se separan unas de las otras. Por lo tanto, la compensación Doppler proporciona un medio para mejorar tanto la compresión de impulsos por la compensación por el efecto Doppler así como para resolver la ambigüedad Doppler en los perfiles Doppler finales que resultan de una PRF muy baja.

La mejora adicional de la respuesta de alcance es posible por la selección adecuada de las fases iniciales de las portadoras en lugar de fases aleatorias distribuidas uniformemente y aplicando los coeficientes de ponderación a las amplitudes de las portadoras. Las fases iniciales también pueden ser dispuestas de manera que se reduzca la PAPR.

Las técnicas de estrechamiento de frecuencia estándar se pueden aplicar como coeficientes de ponderación de las portadoras. Tal estrechamiento del espectro reduce el nivel relativo de los lóbulos laterales de alcance. Un ejemplo de tales técnicas de estrechamiento es la ventana de Hamming aplicada a las portadoras. Los coeficientes de ponderación de Hamming se generan por medio de la ecuación

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en la que n = {0,1,2, .., N-1} es el número de operadoras y An es el coeficiente que corresponde a la portadora n. Los lóbulos laterales más bajos se observaron con el ensanchamiento del lóbulo principal del corte de retardo Doppler cero de la función de ambigüedad, mientras que el corte Doppler de retardo cero no se ha modificado de manera significativa.

La velocidad máxima que se puede medir de forma no ambigua por esta técnica de proceso corresponde a la frecuencia Doppler que es igual al ancho de banda de la señal de OFDM transmitida,

imagen1

En este punto, los coeficientes de FFT son desplazados cíclicamente en N a sus posiciones originales, que corresponden a la velocidad radial cero.

Lo que sigue es un ejemplo de la forma de onda de OFDM y los resultados del proceso de acuerdo con la invención. Los parámetros de forma de onda y los parámetros de objetivo utilizados en el ejemplo se proporcionan en las tablas 1 y 2 más adelante. El escenario para el ejemplo se da en la figura 4.

Tabla 1: parámetros de forma de onda

Parámetro: Descripción Valor

N: Número de portadoras 1024

M: Número de muestras 4*N=4096

fc: Portadora RF 10 GHz

�f: Separación de portadoras 1 kHz

Rmax: Alcance máxima 37,5 km.

Timpulso: Período de impulso 1,25 ms.

Tabla 2: Parámetros de Objetivo

Parámetro: Descripción Valor

R1: Alcance Objetivo 1 4000 m

R2: Alcance Objetivo 2 20000 m

R3: Alcance Objetivo 3 20000 m

v1: Velocidad Objetivo 1 3 m/s

v2: Velocidad Objetivo 2 -3 m/s

v3: Velocidad Objetivo3 21 m/s

La velocidad Doppler no ambigua definida para el proceso convencional de ráfaga de impulsos se proporciona por

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10 en la que fp es la frecuencia de repetición de impulsos y fc es la portadora de alta frecuencia. Para la forma de onda continua que consiste en elementos de OFDM e intervalos de tiempo de guarda de prefijo cíclico, la velocidad Doppler no ambigua se modifica a

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en la que �f es la separación de portadoras y α es la relación entre la longitud del prefijo cíclico

a la longitud real del elemento. Para los valores numéricos que figuran en las Tablas 1 y 2, la velocidad no ambigua del proceso Doppler de ráfaga de impulsos se da como

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La velocidad radial no ambigua para el proceso Doppler de impulso único no está defi

nida, debido a que el fenómeno observado en esa técnica de proceso son lóbulos laterales al

tos, que se asemejan a la forma Sinc.

La resolución está relacionada con el tiempo en el objetivo por medio de la ecuación

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Para el proceso de impulso único con los parámetros que figuran en la Tabla 1, la reso10 lución de la velocidad radial es

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y para el proceso Doppler de ráfaga de impulsos, la resolución de la velocidad radial es

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en la que K es el número de impulsos.

15 El diseño de proceso como se ve en la figura 1 genera perfiles de alcance para cada impulso y para diferentes cantidades de desplazamiento cíclico, denominado Sfft. El proceso puede ser implementado de tal manera que los datos adquiridos se disponen en una estructura matricial en 3D, en la que cada fila contiene la información de un impulso, cada columna corresponde a una celda de alcance y cada página corresponde a un valor Sfft. De esta manera,

20 la solución de la FFT para cada impulso se almacena en la memoria del receptor, para ser desplazada cíclicamente y se procesa adicionalmente para extraer información de la velocidad radial después de que todos los impulsos se hayan recibido.

Los perfiles de alcance para las soluciones de la FFT de Doppler, que corresponden a las velocidades de los objetivos, se dan en la figura 5. Sumando los resultados de la FFT de 25 Doppler para todos los Sfft que se buscan, se generan los perfiles de alcance. Los alcance de

objetivo R1 = 4000 m y R2 = R3 = 20000 m son visibles en los perfiles de alcance.

El desplazamiento cíclico Sfft funciona disminuyendo la ganancia de compresión de impulsos para los objetivos con velocidades radiales no coincidentes con el valor Sfft. El valor absoluto de los resultados de la FFT de proceso de Doppler a lo largo de K = 12 impulsos para 30 la celda del alcance correspondiente a R = 20000 m está dispuesto para proporcionar el comportamiento de ganancia de compresión de impulsos para los objetivos 2 y 3 para los valores

Sfft en la figura 6. Las cifras son generadas con 8 veces sobre -muestreo por el bloque de relleno cero antes de la FFT. Las vistas de la figura 6 desde diferentes direcciones se dan en la figura 7, figura 8 y figura 9 para mayor claridad. Los contornos de la figura 7 muestran los dos picos distintos para

5 los dos objetivos a velocidades ambiguas. La ambigüedad de la velocidad es evidente en los picos que se encuentra situados a v = 3 m/s, que se puede observar en la figura 9, y la ambigüedad se resuelve en el eje Sfft debido al cambio en la ganancia de compresión de impulsos, como se ve en la figura 8, en la que es evidente el comportamiento de ganancia de compresión de impulsos en forma de sinc.

10 Para este ejemplo, la velocidad máxima no ambigua que se puede medir es

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en la que el desplazamiento cíclico es igual al número de portadoras y es equivalente a no aplicar ningún desplazamiento cíclico.

Claims

Reivindicaciones

1. Un procedimiento para medir la velocidad radial de un objetivo con un radar, que compren

de los siguientes pasos: -un paso de transmitir una forma de onda p del tipo ortogonal Multiplexado por División de Frecuencia Ortogonal, OFDM, que comprende N portadoras de frecuencia transmitidas simultáneamente, en la que m = 0, 1, ... N-1 y N ≥ 2, teniendo la frecuencia de las portadoras una fase inicial φm y estando codificada con el fin de mejorar la respuesta Doppler, comprendiendo la forma de onda p los elementos de OFDM y los intervalos de tiempo de guarda que se transmiten sucesivamente para formar una transmisión de onda continua, siendo más larga la duración Tcyc de los intervalos de tiempo de guarda

que

imagen1 en la que c es la velocidad de la luz, que es el tiempo necesario para que la forma de onda p se refleje desde un alcance de interés máxima Rmax; -un paso de recibir la forma de onda retornada por eco desde el objetivo, en el que:

○

la fase inicial φm de cada portadora de frecuencia se recupera a partir de la forma de onda retornada por eco;

○

la fase inicial φm recuperada de cada frecuencia portadora pm se desplaza cíclicamente con el fin de compensar el efecto Doppler;

○

la fase inicial φm recuperada de cada frecuencia portadora pm se descodifica;

○

se sintetiza un impulsos comprimido a partir de las fases iniciales descodificadas.
2.

Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque: -la fase inicial φm de cada portadora de frecuencia pm se recupera de la forma de onda retornada por eco en virtud de un algoritmo de Transformada Rápida de Fourier, que comprende multiplicar un vector s que contiene muestras de la forma de onda retornada por eco de una matriz de la Transformada Discreta de Fourier -la fase inicial recuperada φm de cada portadora de frecuencia pm es desplazada cíclicamente por un proceso, que comprende multiplicar el resultado del algoritmo anterior por una matriz C-1, representando la matriz C el desplazamiento de la portadora de frecuencia debido al efecto Doppler; -la fase inicial recuperada φm cada portadora de frecuencia pm es descodificada por un proceso, que comprende multiplicar el resultado del proceso anterior por una matriz P =diag {φ *} en la que ϕT=[φ0 φ1 φ2 ... φN-1] y [ ]T es el transpuesto y [ ]*es el conjugado

complejo; -el impulso comprimido se sintetiza a partir de las fases iniciales descodificadas en virtud de un algoritmo de la Transformada Inversa Rápida de Fourier, que comprende multiplicando el resultado del proceso anterior por la matriz J-1 .
3.

Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, que se caracteriza porque las portadoras de frecuencia se codifican en fase distribuyendo uniformemente sus fases iniciales en un intervalo [0; 2π ].
4.

Un procedimiento de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que se caracteriza porque los portadoras de frecuencia están codificadas en amplitud por la aplicación de un conjunto de coeficientes de ponderación.
5.

Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 4, que se caracteriza porque el conjunto de coeficientes de ponderación es un conjunto de coeficientes de Hamming.
6.

Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 2, que se caracteriza porque las fases iniciales φm recuperadas para cada portadora de frecuencia pm se desplaza cíclicamente con el fin de abarcar todas las velocidades de interés, lo que permite generar perfiles Doppler que solamente cubren el alcance de velocidad correspondiente al desplazamiento cíclico.
7.

Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, que se caracteriza porque la amplitud

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de la ambigüedad correspondiente a se disminuye a , en la que Fd es la frecuencia Doppler, �F es la separación de las portadoras, s es un número entero positivo y α es la relación entre la duración Tcyc del intervalo de tiempo de guarda con la duración del elemento de OFDM.