ES2634418T3 - Método para evitar falsas detecciones en sensores - Google Patents

Método para evitar falsas detecciones en sensores Download PDF

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Abstract

Método para evitar falsas detecciones en sensores, en que el método comprende los pasos de: a) recibir una ráfaga de señales de entrada (1) en un sensor; b) filtrar la ráfaga recibida en al menos dos bandas de frecuencia (32) usando una serie de filtros Doppler (30); y c) procesar una primera banda filtrada de acuerdo con al menos una de las otras bandas filtradas, en que el paso b) comprende separar cada ráfaga en al menos un canal rápido (90), un primer canal lento (80) usando filtros en el valor Doppler nulo y un segundo canal lento (70) usando filtros no centrados en el valor Doppler nulo, y el paso c) comprende calcular residuos de ecos parásitos de superficie predichos sobre la base del primer canal lento (60), y usar los residuos de ecos parásitos de superficie predichos calculados para proporcionar un primer canal rápido compensado, caracterizado porque el paso c) comprende además calcular atenuaciones de control de falsas alarmas sobre la base del segundo canal lento (70), y usar las atenuaciones de control de falsas alarmas calculadas para proporcionar un segundo canal rápido compensado.

Description

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DESCRIPCION
Metodo para evitar falsas detecciones en sensores
La presente invencion se refiere a un metodo para evitar falsas detecciones en sensores.
Existen diversos metodos para controlar falsas alarmas en radares y otros sensores. Estos incluyen la aplicacion de umbral, el filtrado Doppler, promediado de fondo y mapas de “ecos parasitos” (“clutter'). Ejemplos de tales metodos pueden encontrarse en el documento WO98/22834 y US5.644315. Sin embargo, estos metodos tienen limitaciones cuando son usados individualmente y la mayona de los sistemas de radar utilizan una combinacion de estos metodos.
Aun asf, esto es de uso limitado para regular falsas detecciones a partir de imagenes de alta frecuencia de ecos fuertes procedentes del entorno de fondo. Esto es el caso particularmente en sensores montados sobre una plataforma movil. Estas falsas detecciones tienden a ser generadas princijmpalmente por inestabilidades del sistema que pueden interaccionar con “ecos parasitos” procedentes del entorno de fondo. (El termino “ecos parasitos” se refiere a senales indeseadas.)
Cuando la aplicacion de umbral es usada como el unico metodo de control de falsas alarmas, el umbral podna ser superado por senales fuertes procedentes del entorno de fondo.
Aunque el filtrado Doppler es generalmente bueno de cara a eliminar el grueso de las senales parasitas, ya que estas senales se producen a frecuencias relativamente bajas, es incapaz de discriminar entre las componentes de alta frecuencia de los “ecos parasitos” y objetivos con ecos de alta frecuencia, para cuya deteccion esta disenado el sensor.
El promediado de fondo estima el nivel de fondo para cada “celda” de deteccion mediante el promediado de las senales en celdas cercanas. Este promedio es usado entonces para determinar adaptativamente el nivel del umbral de deteccion en la celda a prueba. Habitualmente, el umbral es establecido como este nivel de fondo estimado mas un desplazamiento fijo, aunque algunos algoritmos modernos de tasa constante de falsas alarmas (CFAR, del ingles “Constant False Alarm Rate”) analizan tambien la estadfstica de las senales en las celdas cercanas y usan este analisis para modificar el valor umbral. Aunque esta tecnica es muy buena para eliminar “ecos parasitos” que estan distribuidos a traves de multiples celdas de deteccion, tiene una baja capacidad para eliminar falsas alarmas a partir de “ecos parasitos” altamente localizados (tales como edificios, paredes rocosas, plataformas petrolfferas, etc.).
Un mapa de “ecos parasitos” puede usarse exitosamente para eliminar falsas alarmas a partir de “ecos parasitos” altamente localizados cuando el sensor es estacionario. El mapa de “ecos parasitos” opera construyendo un mapa de la intensidad de senales recibidas sobre un periodo de tiempo largo, tfpicamente muchos minutos, y estableciendo el umbral de deteccion para una celda de deteccion en el valor del mapa mas un desplazamiento fijo.
Sin embargo, en una plataforma movil el fondo cambiara de observacion en observacion, de modo que esta opcion no es adecuada para uso con un sensor montado sobre una plataforma movil, por ejemplo en un sistema de radar Doppler de impulsos portado por un barco o un avion.
De acuerdo con un aspecto de la presente invencion, se proporciona un metodo para evitar falsas detecciones en
sensores, de acuerdo con las reivindicaciones adjuntas. Para una mejor comprension de la presente invencion, se hara referencia ahora, a modo de ejemplo, a los dibujos adjuntos, en los cuales:
La figura 1 es un diagrama de bloques de un procesador de senales de un sensor en un sistema de radar; y
la figura 2 es un diagrama de bloques de un sistema de control de falsas alarmas de acuerdo con la presente invencion.
Generalmente, la presente invencion estriba en regular falsas detecciones procedentes de sensores de deteccion o seguimiento provocadas por la componente de alta frecuencia de ecos fuertes procedentes del entorno de fondo. Se supone que las senales recibidas por tales sensores pueden ser filtradas por frecuencia en un numero de bandas mediante una serie de filtros Doppler. De este modo, la presente invencion es adecuada para el uso dentro de procesadores de senales de sistemas de radar Doppler de impulsos montados sobre plataformas moviles, tales como barcos o aviones.
Debe observarse, sin embargo, que la presente invencion no esta limitada al uso en sistemas de radar Doppler de impulsos en los que el numero de bandas de frecuencia tiende a ser grande, sino que puede ser usado igualmente en un sistema de radar en el que el numero de bandas de frecuencia es considerablemente menor. Por ejemplo, el numero de bandas de frecuencia puede ser tan bajo como dos (con filtrado de paso alto y de paso bajo), y por lo tanto la
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presente invencion puede ser utilizada en un sistema de radar con procesamiento de indicacion de objetivos moviles (MTI, del ingles “Moving Target Indication”).
Se supone que, antes del filtrado Doppler, las senales de entrada son rotadas en fase para compensar el movimiento de la plataforma y la antena, de modo que los ecos procedentes de un objetivo no fluctuante que es estacionario con respecto a la superficie terrestre son presentados a filtros Doppler con la misma fase en cada impulso de una “rafaga” coherente de impulsos.
Normalmente, excepto en condiciones meteorologicas excepcionalmente extremas, los “ecos parasitos” (es decir, ecos indeseados procedentes del entorno) tales como ecos procedentes de la superficie terrestre o de la precipitacion meteorologica, estaran contenidos dentro de un numero pequeno de los filtros Doppler en el sistema de radar con bandas de paso en o cerca del valor Doppler nulo (que seran denominados a continuacion filtros “lentos”).
Sin embargo, es un hecho que estos ecos pueden ser tan fuertes que inestabilidades dentro de las cadenas de transmision/recepcion del sistema de radar resultan en que imagenes de los “ecos parasitos” aparecen en filtros Doppler distintos a aquellos en los que cae la banda de paso de la extension Doppler verdadera de los “ecos parasitos”. Si los “ecos parasitos” cambian significativamente de celda de resolucion de alcance a celda de resolucion de alcance, esto podna resultar en falsas indicaciones o en que se generen diagramas de radar de objetivos rapidos.
El modo en el que es tratado a menudo este problema en sistemas de radar en instalaciones estacionarias fijas consiste en construir un mapa con el tiempo de los “ecos parasitos”, pero en un sistema de radar montado en una plataforma movil, este metodo no es inmediato y esta sujeto a restricciones temporales debido al movimiento de la plataforma.
De acuerdo con la presente invencion, se toma una instantanea de la potencia de “ecos parasitos” estacionaria, contenida en el filtro Doppler centrado en el valor Doppler nulo, para cada rafaga coherente de impulsos, y un conocimiento a priori de la estabilidad del sistema de radar es usado para estimar el nivel de avance para cada celda de resolucion y cada filtro Doppler “rapido” (es decir, no “lento”). Si esta estimacion es mayor que el nivel de “promedio de fondo” calculado por los algoritmos CFAR del sistema de radar, entonces la senal de salida proporcionada por el CFAR es atenuada por la diferencia.
Adicionalmente, la intensidad de las senales en los filtros Doppler “lentos” distintos al filtro Doppler nulo es comparada con un umbral con el fin de identificar “ecos parasitos” centrados en el valor Doppler nulo con una dispersion Doppler significativa, o “ecos parasitos” con un desplazamiento Doppler significativo. En la presencia de “ecos parasitos” asf, la estimacion de avance sera demasiado baja. En el caso en que son identificados “ecos parasitos” asf, una atenuacion adicional es aplicada a la senal de salida proporcionada por los algoritmos CFAR.
Con referencia ahora a la figura 1, es mostrada una parte de un sistema de procesamiento de senales 100 para un sensor en un sistema de radar Doppler de impulsos que recibe senales de entrada y proporciona de salida senales listas para la aplicacion de umbral. El sistema de procesamiento de senales 100 comprende una unidad receptora sensible a fase 10, una unidad de compensacion de movimiento 20, una unidad de filtrado Doppler 30, una unidad de “complejo a logaritmo de modulo” 40 y una unidad de control de falsas alarmas 50.
Las senales de impulsos 1 recibidas son introducidas en la unidad sensible a fase 10 donde son “mezcladas hacia abajo” para formar senales de banda base 12 complejas y digitalizadas que comprenden componentes “real” e “imaginaria” conocidas como I y Q respectivamente.
Las componentes de senal de banda base digitalizada 12 son pasadas entonces a la unidad de compensacion de movimiento 20 donde son procesadas para compensar el movimiento de la plataforma y de la antena. Las componentes I y Q 12 son rotadas en fase para formar componentes compensadas en cuanto a movimiento 22. Esto se produce de modo que los ecos procedentes de un objetivo no fluctuante (no mostrado) que es estacionario con respecto a la superficie de la tierra tienen la misma fase en cada impulso de una “rafaga” coherente de impulsos.
Las componentes compensadas en cuanto a movimiento 22 son pasadas entonces a la unidad de filtrado Doppler 30 donde son filtradas por frecuencia en un numero de bandas mediante una serie de filtros Doppler (no mostrados) para formar componentes filtradas 32. El numero de bandas debe ser de al menos dos, pero en la mayona de los sistemas de radar Doppler de impulsos, el numero de bandas excede de cuatro.
Tras el filtrado, las componentes 32 son convertidas a valores de logaritmo de modulo 42 usando la ecuacion:
Logmod = a.logp(I2 + Q2)
donde a y p son constantes escogidas para ser consistentes con el resto del procesador de senales (no mostrado) y no afectan a la operacion de la presente invencion. Si el procesador de senales al que es anadida esta invencion no incluye
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ninguno de estas componentes, deben ser anadidas. Los valores 42 incluyen valores de logaritmo de modulo para cada canal de filtro Doppler.
Los valores 42 son pasados entonces a la unidad de control de falsas alarmas 50 donde son modificados para proporcionar senales de salida 52 que pueden ser comparadas con un valor umbral fijo o constante para deteccion.
Las salidas de filtros Doppler para cada “rafaga” de senales coherentes son divididas en dos conjuntos o “canales”, a saber, un canal lento y un canal rapido. Normalmente, excepto en condiciones meteorologicas excepcionalmente extremas, los ecos indeseados o “ecos parasitos” procedentes del entorno tal como la superficie de la tierra o la precipitacion meteorologica estaran contenidos dentro de un pequeno numero de los filtros Doppler. En particular, los “ecos parasitos” estaran contenidos dentro de filtros Doppler con bandas de paso en o cerca del valor Doppler nulo. Los filtros con tales bandas de paso son escogidos para el canal lento. El canal rapido contendra todos los demas filtros.
Para cada filtro de canal lento, las falsas alarmas son controladas usando solo un algoritmo CFAR estandar.
Para cada filtro de canal rapido y cada celda de alcance, son generadas dos estimaciones del fondo de “ecos parasitos”. La mayor de estas es restada (en el dominio logantmico) de la senal en la celda de prueba.
La primera estimacion es calculada usando la intensidad de senal en la misma celda de alcance procedente del filtro Doppler centrado en el (o mas proximo al) valor Doppler nulo (denominado a continuacion filtro Doppler 0). Es una estimacion de los residuos de “ecos parasitos” de superficie (y puede perfectamente caer por debajo del nivel de ruido).
La segunda es una estimacion del fondo en las celdas de alcance en torno a la celda de prueba en el filtro de canal rapido. Esta esta basada en el fondo estimado usando un algoritmo CFAR estandar o tecnica de promediado de fondo que estima el nivel de fondo para cada “celda” de deteccion mediante simple promediado de las senales en las celdas cercanas.
Sin embargo, de acuerdo con la presente invencion, esta estimacion es modificada para controlar falsas alarmas en presencia de “ecos parasitos” de movimiento rapido, “ecos parasitos” anomalos, o “ecos parasitos” con caractensticas espectrales extranas, anadiendo un desplazamiento al fondo (en el dominio logantmico) sobre la base de la intensidad de las senales en aquellos filtros de canal lento no centrados en el valor Doppler nulo. (Este desplazamiento es denominado atenuacion de control de falsas alarmas (FAC, del ingles “False Alarm Control”)). La unidad de control de falsas alarmas 50 es mostrada con mas detalle en la figura 2.
En la figura 2, la unidad de control de falsas alarmas 50 dirige las senales de salida de logaritmo de modulo 42 hacia varios canales de acuerdo con las salidas de los filtros Doppler, a saber, un canal lento 60 con filtros centrados cerca del valor Doppler nulo, un canal lento 70 con filtros que no estan en el valor Doppler nulo, un canal de valor Doppler nulo 80 con filtros en el valor Doppler nulo, y un canal rapido 90 con filtros para todos los demas canales. El canal lento 60 comprende todos los filtros del canal lento 70 y del canal lento 80.
En el canal lento 60, las senales son procesadas usando algoritmos CFAR estandar (bloque 62) solo para producir senales de salida 64 indicativas de los filtros de canal lento.
Las senales en el canal de valor Doppler nulo 80 (filtro Doppler 0) son usadas para calcular “residuos de ecos parasitos” de superficie predichos (bloque 82). La salida del bloque 82 es pasada a un sumador 85 para restarla de las senales en el canal rapido 90 para proporcionar una entrada a un comparador 95.
Las senales en el canal rapido 90 son procesadas usando algoritmos CFAR (bloque 92) para proporcionar una entrada al sumador 75.
Las senales en el canal lento 70 son usadas para calcular atenuaciones FAC (bloque 72) y la salida del bloque 72 es usada como segunda entrada al sumador 75. El sumador 75 resta la salida procedente del bloque 72 de la salida procedente del bloque 92 para proporcionar una entrada adicional al comparador 95.
El comparador 95 toma la menor de las dos entradas, procedentes del sumador 85 y el sumador 75 respectivamente, para proporcionar senales de salida 97 indicativas de los filtros de canal rapido.
Los residuos de “ecos parasitos” de superficie predichos son calculados en el bloque 82 como sigue. Para cada celda de alcance, usando el valor de logaritmo de modulo del filtro Doppler 0, es calculado un conjunto de valores de residuos de “ecos parasitos” (para el peor caso) predichos (uno para cada filtro Doppler de impulsos de canal rapido), usando la siguiente ecuacion:
residuok = Senalo - impk si Senalo > impk
= 0 en otro caso
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donde k es el numero de filtro de canal rapido;
Senalo es el logaritmo del modulo de la amplitud de senal en el filtro 0; e
impk es el logaritmo (derivado suponiendo los mismos valores de a y p que antes) del factor de mejora de “ecos parasitos” de superficie (para el peor caso) en el filtro k (es decir, el nivel esperado de senales de alta frecuencia en la salida del receptor con respecto a las senales de baja frecuencia procedentes de una fuente de ecos parasitos).
Las atenuaciones FAC son calculadas en el bloque 72, para cada celda de alcance, encontrando el mayor logaritmo de modulo en aquellos filtros de canal lento no centrados en el valor Doppler nulo en la rafaga y comparando ese valor con un umbral invariante frente al alcance. Si el umbral es superado, es calculado un conjunto de valores de atenuacion (uno para cada filtro de canal rapido en la rafaga) usando el exceso (logaritmo del modulo menos umbral) multiplicado por un factor de escala para indexar un conjunto de tablas de valores de atenuacion. Si el umbral no es superado, todas las atenuaciones en el conjunto para la rafaga son nulas.
Hay una tabla de atenuacion separada para cada filtro de canal lento, donde los filtros no estan centrados en el valor Doppler nulo, y para cada combinacion de filtros de canal rapido. El filtro de canal lento usado al escoger la tabla de atenuacion es el filtro (de valor Doppler no nulo) que contiene el valor mas grande. La seleccion de los filtros de canal lento es irrelevante en casos en los que el valor mas grande se produce en mas de un filtro.
Las atenuaciones calculadas en el bloque 72 son aplicadas a los datos de logaritmo de modulo tras CFAR en el canal rapido 90. La atenuacion es restada de la salida CFAR. Hay una atenuacion separada para cada celda de alcance y cada filtro.
Tras aplicar las atenuaciones de control de falsas alarmas en los filtros Doppler de impulsos de canal rapido, el valor resultante es comparado con la diferencia entre la entrada CFAR y el residuo de ecos parasitos de superficie predicho. El valor mas bajo es escogido como la salida logantmica post-control de falsas alarmas 97.
Suponiendo que entrada_cfar(k) corresponde a las senales en el canal 90, es decir, que la entrada a CFAR 92), residuok, corresponde a la salida del sumador 85 (es decir los residuos de “ecos parasitos” de superficie predichos), salida_cfar(k) corresponde a la salida de CFAR 92, aten_fac(k) corresponde a la salida del bloque 72 (es decir, la atenuacion de control de falsas alarmas), y salida_fac(k) corresponde a la salida del comparador 95 (es decir, la salida resultante procedente de la unidad de control de falsas alarmas 50 de baja perdida), todo para el numero de filtro de canal rapido k en una celda de alcance y rafaga, entonces:
salida_fac(k) = MIN((salida_cfar(k)-aten_fac(k)), (entrada_cfar(k)- residuok))

Claims (3)

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    REIVINDICACIONES
    1. Metodo para evitar falsas detecciones en sensores, en que el metodo comprende los pasos de:
    a) recibir una rafaga de senales de entrada (1) en un sensor;
    b) filtrar la rafaga recibida en al menos dos bandas de frecuencia (32) usando una serie de filtros Doppler (30);
    y
    c) procesar una primera banda filtrada de acuerdo con al menos una de las otras bandas filtradas,
    en que el paso b) comprende separar cada rafaga en al menos un canal rapido (90), un primer canal lento (80) usando filtros en el valor Doppler nulo y un segundo canal lento (70) usando filtros no centrados en el valor Doppler nulo, y el paso c) comprende calcular residuos de ecos parasitos de superficie predichos sobre la base del primer canal lento (60), y usar los residuos de ecos parasitos de superficie predichos calculados para proporcionar un primer canal rapido compensado, caracterizado porque el paso c) comprende ademas calcular atenuaciones de control de falsas alarmas sobre la base del segundo canal lento (70), y usar las atenuaciones de control de falsas alarmas calculadas para proporcionar un segundo canal rapido compensado.
  2. 2. Metodo segun la reivindicacion 1, que comprende ademas el paso de:
    d) comparar los canales rapidos compensados primero y segundo para proporcionar una salida que comprende el menor de los canales rapidos compensados primero y segundo.
  3. 3. Metodo segun una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en que es aplicada compensacion a cada filtro dentro de dicha primera banda filtrada.
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