ES2636996T3

ES2636996T3 - Aparato para estimar la altura a la que un objetivo vuela por encima de una superficie reflectante

Info

Publication number: ES2636996T3
Application number: ES08172016.1T
Authority: ES
Inventors: Hans Driessen; Martin Podt
Original assignee: Thales Nederland BV
Current assignee: Thales Nederland BV
Priority date: 2008-12-17
Filing date: 2008-12-17
Publication date: 2017-10-10
Anticipated expiration: 2028-12-17
Also published as: CA2688654A1; ZA200908935B; EP2199825B1; US8659470B2; EP2199825A1; US20100149021A1; CA2688654C

Abstract

Un sistema de radar monopulso para estimar la altura ht a la que un objetivo (T) vuela por encima de una superficie (S) reflectante, comprendiendo dicho sistema de radar una antena, comprendiendo dicha antena un solo haz en transmisión para emitir una señal y al menos dos haces en recepción para recibir señales sometidas a eco por un objetivo (T) iluminado por dichos haces en transmisión, dichas señales recibidas que comprenden: o una señal (1) directa procedente directamente del objetivo (T) después de que la señal emitida se haya sometido a eco por el objetivo (T); o una señal (2) indirecta procedente indirectamente del objetivo (T) después de que la señal emitida se haya sometido a eco por el objetivo (T) y se haya reflejado por la superficie (S), la señal (2) indirecta que conduce a una imagen especular del objetivo, dichas señales directas e indirectas que están modeladas, caracterizado porque dicho sistema de radar comprende un filtro de partículas para estimar dinámicamente la altura del objetivo sobre la base de las señales recibidas y de un modelo de reflexión especular, modelando dicho modelo de reflexión especular la relación entre las señales directas e indirectas, las amplitudes de valor complejo del objetivo y de dicha imagen especular que está relacionada por dicho modelo especular, usando dicho filtro de partículas una función de verosimilitud condicional definida por dicho modelo de reflexión especular para estimar la altura ht del objetivo, siendo dicha función de verosimilitud condicional función de las salidas z de señal y de parámetros desconocidos incluyendo la altura ht del objetivo, la distancia xt al suelo del objetivo, la varianza σt 2 del objetivo y la amplitud |Ρ s| del coeficiente de reflexión de la superficie reflectante, estando la función de verosimilitud condicional definida como:**Fórmula** con **Fórmula** σn 2 designa la varianza del ruido n, I la matriz de identidad y B(ht) que se determina a partir de la elevación et del objetivo, de los ángulos es de elevación de la imagen especular del objetivo, del coeficiente ρs de reflexión complejo y de la diferencia φ (ht) de fase entre la señal directa e indirecta, dependiendo la diferencia de fase de la altura ht del objetivo y de la distancia xt al suelo del objetivo.

Description

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DESCRIPCION

Aparato para estimar la altura a la que un objetivo vuela por encima de una superficie reflectante Campo tecnico

La presente invencion se refiere a un aparato para estimar la altura a la que un objetivo vuela por encima de una superficie reflectante. La invencion es particularmente aplicable a los radares de seguimiento. Sin embargo, otros campos potenciales de uso pueden incluir radares de vigilancia y Sistemas de Posicionamiento Global.

Tecnica anterior y problema tecnico

En el pasado se han ensayado varias tecnicas en un intento de estimar la altura de un objetivo (o su angulo de elevacion) que volaba por encima de una superficie reflectante. Desafortunadamente, un problema tecnico que la gente fallo en la solucion es como evitar grandes errores por trayectoria multiple. Los errores por trayectoria multiple son los errores en la altura o elevacion estimadas que se producen debido a las interferencias entre una senal directa desde el objetivo al radar y una senal indirecta reflejada en la superficie.

Una primera tecnica ensayada en el pasado consiste en utilizar una anchura de haz estrecha. Esta tecnica se basa en una antena con un haz estrecho. Un haz estrecho reduce el angulo de elevacion del objetivo al que se ilumina la superficie reflectante mediante el radar. En consecuencia, se reduce el angulo de elevacion por debajo del cual se producen errores por trayectoria multiple graves. Sin embargo, un gran inconveniente de esta tecnica es que debido a las limitaciones tecnicas, no siempre es factible una anchura de haz estrecha. Ademas, aunque una anchura de haz estrecha pueda mejorar la estimacion de la altura del objetivo de un radar en condiciones de trayectoria multiple, otras funciones de radar se benefician de una anchura de haz mas amplia. Otro inconveniente de utilizar una anchura de haz estrecha es que practicamente no funciona cuando el objetivo esta muy cerca de la superficie reflectante. Dichos errores por trayectoria multiple al rastrear un objetivo con un radar pueden detectarse para ajustar el funcionamiento del sistema de radar como se desvela en la patente de Reino Unido 2094586 o sus efectos pueden mitigarse reduciendo los errores de medicion del angulo de elevacion resultantes de las condiciones de trayectoria multiple basados en la transmision de una pluralidad de senales que tienen frecuencias diferentes como se desvela en la patente de Estados Unidos 5 371 503.

Otra tecnica ensayada en el pasado consiste en tratar de resolver el problema de los grandes errores por trayectoria multiple en el filtrado de pista. Esta tecnica subestima la corrupcion en la estimacion de angulo instantaneo y aplica algun tipo de filtrado de pista para mitigar los peores errores. Sin embargo, un gran inconveniente es que es diffcil de caracterizar estocasticamente el error en la medicion del angulo de elevacion, lo que da lugar a una falta de precision. Otro inconveniente es que se descuida parte de la informacion incluida en las mediciones.

Otra tecnica se conoce comunmente como el concepto de relacion de haz simetrica. El concepto se basa en dos patrones de haz de antena cuya relacion es simetrica. Si el punto de simetna se encuentra en la superficie reflectante, las senales directas e indirectas producen la misma salida y se eliminan los errores por trayectoria multiple. Sin embargo, un gran inconveniente es que, en comparacion con un radar de seguimiento clasico, requiere al menos tres haces. Ademas, el punto de simetna de la relacion de haz debe apuntar exactamente entre el objetivo y su imagen reflejada en el modo de trayectoria multiple, mientras que en el modo de espacio libre se desea que la atena de un radar de seguimiento apunte al objetivo. Esto introduce un problema de conmutacion entre los modos de apuntamiento de los haces. Ademas, esta tecnica genera una estimacion sesgada del angulo de elevacion, especialmente para relaciones senal-ruido bajas. Este error de sesgo no se puede reducir mediante filtrado de pista.

Otras tecnicas, normalmente conocidas como tecnicas de angulo complejo, utilizan la relacion compleja (la relacion de los dos componentes en fase y en cuadratura) de las senales de salida de un radar monopulso en combinacion con un modelo de reflexion. En efecto, en el espacio libre la relacion de senal monopulso no tiene componente en cuadratura: un componente en cuadratura de la relacion de senal monopulso es una indicacion de trayectoria multiple. Sin embargo, un gran inconveniente de estas tecnicas es que son sensibles a las desviaciones entre las reflexiones difusas reales en la superficie real y la reflexion especular teorica supuesta, es decir, en una unica direccion. Ademas, requieren un conocimiento previo preciso de los parametros de reflexion de la superficie reflectante y de su geometna, que generalmente no estan disponibles. Otro gran inconveniente de estas tecnicas es que, para resolver la ambiguedad en la estimacion de la altura, requieren al menos dos mediciones a diferentes frecuencias para un unico punto.

Sumario de reivindicaciones

La presente invencion tiene como objetivo proporcionar un sistema de aparato de radar de acuerdo con la reivindicacion 1, que pueda utilizarse para superar al menos algunos de los problemas tecnicos descritos anteriormente. Por lo tanto, no se requiere un conocimiento previo de la amplitud del coeficiente de reflexion o del desplazamiento de fase en la superficie reflectante

Ventajas

Por lo tanto, una ventaja proporcionada por la presente invencion en cualquiera de sus aspectos es que permite que la antena del radar apunte al objetivo, tanto en el modo de espacio libre como en el modo de trayectoria multiple. En consecuencia, no hay ningun problema de conmutacion entre los modos de apuntamiento. Ademas, se trata de una 5 solucion rentable, ya que puede implementarse como software en los sistemas existentes, sin necesidad de dispositivos de emision/recepcion dedicados.

Dibujos

A continuation se describen ejemplos de la invencion con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

- la figura 1 ilustra esquematicamente una geometria de propagation por trayectoria multiple a modo de ejemplo;

10 - la figura 2 ilustra esquematicamente estimaciones de altura del objetivo a modo de ejemplo en funcion de la

distancia al suelo del objetivo.

Descripcion de la invencion haciendo referencia a las figuras

La implementation de la invencion depende del numero N de haces de elevation disponibles en el radar multihaz (N>1). La realization basica puede implementarse en un radar monopulso estandar. El radar monopulso (no 15 ilustrado) comprende una antena de altura ha, teniendo la antena un solo haz en transmision. El haz en transmision describe en que direction se concentra la energia. La antena tiene al menos dos haces en reception. Una haz en reception describe la ganancia o amplification en funcion de la direccion de la energia recibida. Ventajosamente, la frecuencia de emision puede ser constante, lo que permite mediciones a una frecuencia constante. Sin embargo, pueden implementarse realizaciones mejoradas de la presente invencion en sistemas de radar cuya antena tenga 20 mas de dos haces en recepcion (N>2). Haciendo referencia a la figura 1, la presente invencion tiene como objetivo estimar, con respecto a un angulo eo de elevacion=0 al que apunta la antena, el angulo et de elevacion o la altura ht por encima de una superficie S reflectante del objetivo T situado a una distancia xt al suelo desde la antena. Por lo tanto, la senal (1) directa es la energia que se mide por el angulo et de elevacion correspondiente a la trayectoria directa entre la antena y el objetivo T y viceversa. La senal (2) indirecta es la energia que se mide para un angulo es 25 de elevacion correspondiente a la trayectoria indirecta, que se refleja en la superficie, entre el objetivo T y la antena.

Por la geometria de propagacion por trayectoria multiple como se muestra en la figura 1, la salida del sistema de radar basado en dos haces en recepcion puede escribirse como en la siguiente ecuacion (1):

imagen1

donde:

30 - zi (i e {1,2}) representa la salida de senal,

- ai (i e {1,2}) representa los patrones de haz de radar,

- ni (i e {1,2}) representa el ruido termico correspondiente a los dos haces en recepcion,

- es es el angulo de elevacion de la imagen T' especular del objetivo T,

- qt y qs son las amplitudes complejas de los ecos correspondientes al objetivo T y a su imagen T' especular

35 respectivamente

Las amplitudes complejas del objetivo T y de su imagen T' especular estan relacionadas por la siguiente ecuacion (2):

& = Ps exP (J<Pk, (2)

donde:

40 - ps=|ps|exp(j9s) es el coeficiente de reflexion complejo del mar,

- 9 es la diferencia de fase entre la senal (1) directa y la senal (2) indirecta debido a la diferencia de longitud de la

trayectoria.

La diferencia 9 de fase se define por la siguiente ecuacion (3):

imagen2

donde X es la longitud de onda del radar. Sustituyendo las ecuaciones anteriores (2) y (3) en la ecuacion (1) conduce al siguiente modelo de senal detallado (4):

z = (A(et,e0) + A(es,e0)p(ht))qt + n,(4)

5 donde:

La ecuacion (4) puede comprimirse en la siguiente ecuacion (6):

imagen3

imagen4

donde B(ht) = A(et,eo)+A(es,eo)p(ht), donde:

10

imagen5

La ecuacion (4) puede comprimirse en la siguiente ecuacion (6):

z = B(ht)qt + n (6)

donde B(ht) = A(et,eo)+A(es,eo)p(ht)

Bajo el modelo dado por la ecuacion (6) y suponiendo un ruido n de observation gaussiano complejo y un 15 conocimiento previo exacto, con exception de la altura ht del objetivo, la distancia xt al suelo del objetivo y la amplitud |ps| del coeficiente de reflexion, la probabilidad condicional sobre los datos z puede escribirse como en la siguiente ecuacion 7:

imagen6

donde z = z ” y ~ l<Jn En la ecuacion (7), la amplitud qt compleja instantanea del objetivo todavia esta

20 presente. Sin embargo, suponiendo que la variable es gaussiana compleja distribuida con varianza Ot2, la funcion de verosimilitud puede escribirse como en la siguiente ecuacion (8):

imagen7

donde:

Qz = B(ht)(B(ht))H erf +1 <J„

(9)

10

En la presente realization, la funcion de verosimilitud dada por la ecuacion (8) puede implementarse de forma ventajosa en un algoritmo de filtro de particulas tal como

En la presente realizacion, la funcion de verosimilitud dada por la ecuacion (8) puede implementarse de forma ventajosa en un algoritmo de filtro de particulas tal como el descrito por B. Ristic y col. en «Beyond the Kalman Filter : Particle filters for tracking applications^ (Artech House, Boston, Mass., 2004), lo que permite combinar la information en los datos de medicion a medicion. El filtro de particulas no solo puede utilizarse para estimar la altura ht del objetivo, la fuerza del objetivo, la position del objetivo y la velocidad del objetivo. Tambien puede utilizarse de forma ventajosa para estimar la varianza Ot2 del objetivo, la distancia xt al suelo del objetivo, la amplitud |ps| del coeficiente de reflexion y la diferencia de fase entre la senal (1) directa y la senal (2) indirecta. Los parametros de reflexion se estiman dinamicamente bajo el supuesto de que estos parametros varian lentamente en el tiempo.

reflexion tal como el descrito por P. Beckmann y col. en «: The scattering of electromagnetic waves from rough

surfaces^(Artech House, Norwood, 1987).

15 La figura 2 ilustra esquematicamente estimaciones a modo de ejemplo de la altura ht del objetivo (en metros) en funcion de la distancia xt al suelo del objetivo (en metros). La verdadera altura del objetivo es de 5 metros sobre el mar. Los datos de entrada se simulan con una relation senal-ruido de 40 decibelios y una altura ha de la antena igual a 5 metros.La longitud X de onda del radar es igual a 0,03 metros.

Una curva 20 en linea discontinua representa la altura estimada por una estimation monopulso estandar. La curva 20 20 en linea discontinua muestra grandes errores en las estimaciones monopulso, especialmente para distancias al

suelo de 1500 a 2000 metros. Una curva 21 en linea continua representa la altura estimada por la invention. La curva 21 en linea continua muestra estimaciones precisas de la altura del objetivo, sea cual sea la distancia al suelo.

s

Claims

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REIVINDICACIONES

1. Un sistema de radar monopulso para estimar la altura ht a la que un objetivo (T) vuela por encima de una superficie (S) reflectante, comprendiendo dicho sistema de radar una antena, comprendiendo dicha antena un solo haz en transmision para emitir una senal y al menos dos haces en recepcion para recibir senales sometidas a eco por un objetivo (T) iluminado por dichos haces en transmision, dichas senales recibidas que comprenden:

o una senal (1) directa procedente directamente del objetivo (T) despues de que la senal emitida se haya sometido a eco por el objetivo (T);

o una senal (2) indirecta procedente indirectamente del objetivo (T) despues de que la senal emitida se haya sometido a eco por el objetivo (T) y se haya reflejado por la superficie (S), la senal (2) indirecta que conduce a una imagen especular del objetivo,

dichas senales directas e indirectas que estan modeladas,

caracterizado porque dicho sistema de radar comprende un filtro de particulas para estimar dinamicamente la altura del objetivo sobre la base de las senales recibidas y de un modelo de reflexion especular, modelando dicho modelo de reflexion especular la relacion entre las senales directas e indirectas, las amplitudes de valor complejo del objetivo y de dicha imagen especular que esta relacionada por dicho modelo especular, usando dicho filtro de particulas una funcion de verosimilitud condicional definida por dicho modelo de reflexion especular para estimar la altura ht del objetivo, siendo dicha funcion de verosimilitud condicional funcion de las salidas z de senal y de parametros desconocidos incluyendo la altura ht del objetivo, la distancia xt al suelo del objetivo, la varianza Ot2 del objetivo y la amplitud |ps| del coeficiente de reflexion de la superficie reflectante, estando la funcion de verosimilitud condicional definida como:

imagen1

con

Qz=B(ht)(B(ht))Haf + Icr2n,

On2 designa la varianza del ruido n, I la matriz de identidad y B(ht) que se determina a partir de la elevacion et del objetivo, de los angulos es de elevacion de la imagen especular del objetivo, del coeficiente ps de reflexion complejo y de la diferencia ^(ht) de fase entre la senal directa e indirecta, dependiendo la diferencia de fase de la altura ht del objetivo y de la distancia xt al suelo del objetivo.
2. El sistema de radar monopulso de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que dicho filtro de particulas esta configurado ademas para utilizar dicha funcion de verosimilitud condicional para estimar: la distancia xt al suelo del objetivo a la antena, la amplitud |ps| del coeficiente de reflexion y la amplitud compleja qt del objetivo.
3. El sistema de radar monopulso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicho filtro de particulas esta configurado ademas para estimar la diferencia de fase entre la senal (1) directa y la senal (2) indirecta.