ES2812567T3 - Sistema de vigilancia por radar - Google Patents

Abstract

Un método para mejorar la detectabilidad de blancos en ecos parásitos marinos que comprende los pasos de barrer un área bajo vigilancia durante un primer periodo de subexposición con una antena de radar de barrido electrónico y, volver a barrer observando de regreso el área bajo vigilancia, reconfigurando electrónicamente el haz de barrido a una posición de desfase durante un segundo periodo de subexposición, intercalados el primer y segundo periodos de subexposición entre un periodo de exposición en un área diferente bajo vigilancia dentro de un periodo de barrido dado tal que los retornos de señal indicativos de ecos parásitos se pueden identificar independientemente de los retornos de señal generados por blancos mejorando así la detectabilidad de los blancos en los ecos parásitos marinos en donde el primer periodo de subexposición y el segundo periodo de subexposición son coherentes, utilizando una primera frecuencia fija para el primer periodo de subexposición y una segunda frecuencia fija diferente para el segundo periodo de subexposición.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema de vigilancia por radar

La invención se refiere a un sistema de vigilancia por radar. Más específicamente, pero no exclusivamente, se refiere a un radar de vigilancia marítima diseñado para detectar blancos pequeños.

En un radar de vigilancia marítima, el objetivo clave es distinguir blancos reales de blancos aparentes. Los blancos aparentes o "falsas alarmas" son los que pueden ser causados por una reflexión de radar de la superficie marina que se clasifica como un blanco potencial, cuando no hay ningún objeto real presente. Este problema ha sido objeto de mucha investigación durante los últimos 70 años. El problema es esencialmente lograr un criterio de decisión robusto, basado en la probabilidad matemática de que una reflexión particular desde el área bajo vigilancia sea o no un blanco.

En los radares de vigilancia marítima convencionales, la antena produce una forma de haz fija, que se barre sobre el área de interés, hasta e incluyendo una cobertura completa de 360°, en el plano azimutal.

Dichos sistemas utilizan entonces integración azimutal no coherente de la información de amplitud reflejada desde esta área de interés para determinar el umbral para la declaración de blanco o no. Los esquemas de procesamiento existentes típicos para abordar estadísticamente esta cuestión incluyen, pero no se limitan a, el establecimiento de umbrales a los datos después de promediar el área, la aplicación de un criterio de detección de M sobre N, o el establecimiento de umbrales al filtrado post azimut. En tal detección de radar marítimo, la clave discriminante es la correlación de amplitud del blanco, si está presente, durante el tiempo de exposición, en comparación con la correlación de amplitud del retorno de ecos parásitos marinos de fondo. Por tanto, si los retornos tanto del blanco como de los ecos parásitos marinos están altamente correlacionados, una hipótesis de prueba automática matemáticamente sólida es difícil, si no imposible de lograr. Esto da como resultado que se muestren muchos blancos falsos o que se supriman los blancos reales. Ambas condiciones son inaceptables, ya que la carga de trabajo de operación y el tiempo de búsqueda pueden llegar a ser excesivos al tratar de lograr el papel funcional de la detección de blancos.

Hay una serie de sistemas conocidos que se describirán a continuación. Sin embargo, todos sufren de problemas que la presente invención pretende superar.

La explotación de las diferencias entre la descorrelación temporal de la amplitud del blanco y la descorrelación temporal de la amplitud de los ecos parásitos marinos no es una característica nueva en el diseño del modo de radar. Sin embargo, los modos existentes que se benefician de un retardo en el tiempo entre observaciones en un área de exposición específica comprometen todos el funcionamiento del radar y, por tanto, el rendimiento de detección de blancos. Esto se describe adicionalmente bajo cada tipo de modo existente, con factores clave relativos al impacto específico sobre el rendimiento.

Barrido rápido.

En esta implementación, los 360° (o barrido limitado) son alcanzados por la antena, que gira alrededor de un cardán azimutal a una velocidad que permite una nueva visita de un área rápidamente, generalmente cada 1 o menos segundos. Los retornos de radar se procesan entonces a través de dos o más barridos para lograr la descorrelación temporal de ecos parásitos necesaria. Hay dos inconvenientes principales de esta implementación. En primer lugar, el aspecto físico de hacer girar una gran masa a alta velocidad angular crea problemas, desde la dificultad para lograr fiabilidad hasta el impacto giroscópico en una plataforma anfitriona aérea (helicóptero o avión de ala fija). En segundo lugar, debido a la alta velocidad de rotación angular, el número de pulsos de radar o PRI en cada observación o exposición puede ser tan bajo como uno. Por tanto, se necesita un gran número de barridos para lograr la integración del blanco por encima de un umbral de detección y, mientras que esto puede dar como resultado la discriminación de blancos/ecos parásitos requerida, el tiempo necesario para capturar este número de barridos, junto con el muy corto tiempo de exposición por barrido, puede dar como resultado que se pierda un blanco fugaz pequeño, debido al oscurecimiento del oleaje marino o la corta exposición de blancos como un periscopio. También hay otras consideraciones relativas a la complejidad de la corrección del recorrido del alcance debido al gran número de períodos de barrido requeridos para tomar una decisión de blanco.

Barrido lento

Esto se puede implementar con una velocidad angular azimutal de la antena que sea lo suficientemente lenta como para permitir la descorrelación temporal de los ecos parásitos marinos dentro del tiempo de exposición sobre el blanco. De nuevo, este modo compromete la oportunidad de "ver" al blanco fugaz ya que el tiempo para cubrir la escena de 360 ° es largo (típicamente decenas de segundos), para permitir la descorrelación dentro del período de exposición.

Barrido a barrido

Otro enfoque de compromiso existente implica, por ejemplo, barrer la escena marítima, a una velocidad acimutal de, digamos, entre 60°/s y 120°/s, integrándose dentro de cada exposición pero logrando la descorrelación de ecos parásitos necesaria mediante la comparación de un grupo de barridos en una forma de barrido a barrido. De nuevo, esto solo ofrece rendimiento en blancos grandes que parecen estacionarios durante el período de integración de barrido a barrido. Este no es un modo práctico para la operación contra el blanco fugaz pequeño tal como un periscopio, un bote pequeño o una persona en condiciones marinas adversas.

La presente invención se refiere al uso de una nueva estrategia de barrido, con períodos de exposición intercalados, que utiliza una técnica para mejorar la probabilidad de detección de blancos fugaces en condiciones adversas de ecos parásitos marinos.

Según la invención, se proporciona un método para mejorar la detectabilidad de blancos en ecos parásitos marinos de acuerdo con la reivindicación 1.

De acuerdo con otro aspecto de la invención, se proporciona un sistema de radar de vigilancia marítima de acuerdo con la reivindicación 4.

Preferiblemente, el sistema ofrece un diseño de modo que se puede implementar de una manera que no degrada el tiempo de observación o la capacidad de búsqueda del radar, como es el caso con las técnicas actuales como se describió anteriormente. Además, la presente invención ofrece grados adicionales de libertad para mejorar adicionalmente la detección de blancos y el rechazo adicional de los retornos de ecos parásitos, ya que este modo es compatible con la inclusión de agilidad de frecuencia de pulso a pulso o agilidad de frecuencia de subexposición y también la implementación de procesamiento coherente de frecuencia fija de subexposición.

La presente invención incluye preferiblemente el uso de una antena de radar de barrido electrónico (antena E-Scan) y el procesamiento asociado en un papel de vigilancia marítima. La invención ofrece una mejor discriminación de blancos contra los ecos parásitos marinos, particularmente para blancos pequeños o fugaces tales como la detección de botes pequeños, escenarios de hombre al agua, búsquedas de balsas salvavidas o periscopios de submarinos.

Preferiblemente, la implementación soporta hasta una cobertura total (o de 360°) desde una plataforma anfitriona a través del uso de múltiples antenas de barrido electrónico fijas o el uso de una o más Antena(s) de barrido electrónico montada(s) sobre un sistema de cardán acimutal, que permite que la(s) antena(s) gire(n) físicamente hasta 360°.

Además, la invención explota características naturales específicas de blancos potenciales y de ecos parásitos marinos para ofrecer una mejor capacidad para discriminar unos de otros, aumentando la probabilidad de detección de blancos en un tiempo de exposición corto y reduciendo las falsas alarmas. En un papel práctico, tal como búsqueda y rescate, esto reduce la carga de trabajo para los operadores de radar. En un papel militar, el rendimiento mejorado reduce las búsquedas falsas, ahorrando tiempo desperdiciado y reacciones innecesarias a amenazas aparentes.

La presente invención tiene como objetivo superar los problemas de los sistemas de la técnica anterior y proporcionar un sistema de radar de vigilancia marítima capaz de discriminar con mayor precisión entre falsas alarmas y blancos reales.

Ahora se describirá una implementación particular de la invención con referencia a los dibujos esquemáticos adjuntos, en los que

La Figura 1 muestra la aplicación convencional de una antena de barrido en una aplicación de vigilancia marítima,

La Figura 2 muestra un esquema de una forma de sistema de vigilancia de radar marítimo de acuerdo con la invención implementado con un radar de barrido electrónico que tiene exposiciones intercaladas implementadas a través de una combinación de barrido electrónico y mecánico.

La Figura 3 muestra un esquema del sistema de radar de la Figura 2 en un instante T1; y

La Figura 4 muestra un esquema del sistema de radar de la Figura 3 en un instante T1 más (típicamente) 1 segundo.

La Figura 1 muestra la aplicación convencional de una antena de barrido en una aplicación de vigilancia marítima, donde 0 es la velocidad de barrido mecánica y 9 es el ancho de haz de la antena azimutal. El período de exposición está cerrado en el alcance n a r2 en azimut por 9 y el número de pulsos (PRI). En esta aplicación, la forma del haz (determinada por los atributos físicos de la antena) y el reloj de muestreo del alcance se pueden utilizar para determinar un área de interés, para la declaración de un blanco o no, dentro de esa subárea de búsqueda. Típicamente, esta es un área de unos pocos grados en azimut y una serie de puertas de alcance a lo largo de un "radio" imaginario. En cualquier momento en el barrido acimutal del haz de la antena, una serie de pulsos de radiofrecuencia (RF) iluminan este ángulo de exposición, dependiendo de la velocidad de repetición de pulsos diseñada del radar y la velocidad de barrido azimutal.

En la primera realización de la invención, la diferencia de enfoque sobre los sistemas existentes es que mientras que en un radar de vigilancia convencional el haz de barrido cubre secuencialmente el área de interés, en términos de un período de exposición y una franja de alcance (véase la Figura 1), en la presente invención el haz del radar visita de nuevo cada área de interés después de un corto período de tiempo, reconfigurando electrónicamente el haz de barrido a una posición de desfase para una subexposición 1^s 2^s intercalada dentro del período de barrido. (véase la Figura 2). Esta capacidad de "observación de regreso” donde el área bajo prueba es visitada de nuevo después de aproximadamente 1 segundo, permite que la descorrelación natural de los ecos parásitos marinos tenga lugar entre las muestras iniciales y de regreso del área de vigilancia. Por supuesto, los expertos en la técnica observarán que el tiempo de nueva visita se puede ajustar para explotar mejor las características de descorrelación del retorno de los ecos parásitos marinos. La descorrelación mejorada de los ecos parásitos marinos mejora la capacidad del radar para rechazar blancos falsos mientras que mantiene la capacidad de integrar los retornos de blancos dentro de los períodos de subexposición para lograr una probabilidad de detección satisfactoria.

El enfoque descrito aquí, donde se pueden utilizar una serie de períodos de subexposición 1^s, 2^s para iluminar el mismo campo de exposición, pero espaciados en el tiempo, permite que se exploten más grados de libertad.

Con referencia a las Figuras 2, 3 y 4, donde A y B son la misma ubicación geográfica, y considerando un modo de vigilancia marítima que opera en modo de baja frecuencia de repetición de pulsos (PRF) no ambiguo. La antena, que en la primera realización es una antena giratoria con la capacidad de ser dirigida electrónicamente en dos dimensiones, gira (en sentido horario desde arriba) sobre un eje de cardán, a través del plano Z, dando cobertura de 360 °.

La velocidad de barrido mecánica azimutal se define como 0°/s (nominalmente, por ejemplo, 60°/s). El tiempo de exposición, definido por la velocidad de barrido azimutal, la PRF de radar y el ancho de haz, contiene n pulsos. La antena de barrido electrónico tiene, por ejemplo, dos ángulos 1^e, 2^e de haz preestablecidos alrededor del eje de puntería 5 mecánico de 0 ° y -0° y este eje de puntería 5 de barrido electrónico se puede cambiar de uno a otro de estos ángulos en un intervalo de repetición de pulso (PRI). Por tanto, la antena puede ofrecer un ángulo de observación de regreso 6 de 20°, que equivale a un tiempo de nueva visita nominal de 1 segundo si, por ejemplo, 0 = 30 °.

Por lo tanto, en un diseño típico, considérese un tiempo de exposición de la antena de giro mecánica, con un desfase de barrido electrónico de 30 °, con una exposición de n/2 pulsos. La antena se reconfigura entonces, dentro de un PRI, para observar de regreso -60 ° y entonces iluminar el área de exposición de regreso para n/2 pulsos o PRI. La antena se restablece entonces a la posición de barrido electrónico de 30° y esta secuencia se cicla continuamente, por lo que cada exposición se compone finalmente de dos subexposiciones de n/2 pulsos 3, separados en el tiempo por (velocidad de barrido/desfase de barrido electrónico)° que se procesan juntos, habiendo sido marcados en tiempo, y se toma una decisión de blanco.

Los expertos en la materia apreciarán que la subexposición, que contiene una serie de pulsos de radar o PRI, puede contener pulsos de diferentes frecuencias (agilidad de frecuencia), ofreciendo una descorrelación de amplitud de ecos parásitos máxima.

Además, se apreciará que las subexposiciones 1^s y 2^s pueden alternativamente ser intervalos de procesamiento coherentes, utilizando una frecuencia fija para la subexposición 1 y una frecuencia fija diferente para la subexposición 2. Esto ofrece cierta descorrelacion de ecos parásitos en términos de amplitud, entre la exposición 1 y 2, y también permite que se explote cualquier Doppler diferencial del blanco en comparación con los ecos parásitos marinos en el proceso de decisión.

Además, se apreciará que este plan de forma de onda coherente permite la discriminación de ecos parásitos a blanco utilizando el relativamente estrecho espectro Doppler del blanco contra el relativamente amplio espectro de ecos parásitos.

Se apreciará que el uso de muestreo intercalado y la gestión del haz “de observación de regreso”, espaciados en el dominio del tiempo, permite que la descorrelación temporal de los retornos de ecos parásitos marinos se explote por completo, lo que por tanto ofrece una mejor detección de blancos y regulación de falsas alarmas explotando esta descorrelacion de ecos parásitos temporal natural.

Además, la capacidad de utilizar exposiciones coherentes o no coherentes, espaciadas en el tiempo, maximiza la oportunidad de discriminar el blanco de los ecos parásitos marinos, mediante el procesamiento tanto en el dominio de amplitud como en el dominio Doppler.

De esta manera, el Radar de Vigilancia Marítima de la presente invención que tiene un modo de observación de regreso de blancos pequeños con exposiciones intercaladas, ofrece una capacidad optimizada para la búsqueda de objetos fugaces en condiciones marinas adversas, utilizando un modo que supera la capacidad de los diseños actualmente implementados. El diseño de modo permite la explotación completa de los tres mecanismos de (1) la descorrelación temporal natural de los ecos parásitos marinos, (2) la descorrelación dotada por la agilidad de frecuencia y (3) el uso de discriminación Doppler en la decisión de detección de blancos del blanco. Esta es una característica única de la presente invención.

En términos operativos, este modo ofrece un rendimiento optimizado para la detección de blancos pequeños y fugaces, tales como botes pequeños, embarcaciones semisumergibles, periscopios de submarinos, personas en el papel de búsqueda y rescate, y otros blancos similares de interés.

Se apreciará que, mientras que la invención se refiere a la vigilancia marítima, está destinada a la vigilancia de áreas marítimas. La propia antena de radar se puede montar en cualquier plataforma adecuada, tal como, pero sin limitación a, un avión, barco u otro vehículo. Además, la antena de radar puede estar en tierra.

Claims (4)

REIVINDICACIONES

1. Un método para mejorar la detectabilidad de blancos en ecos parásitos marinos que comprende los pasos de barrer un área bajo vigilancia durante un primer periodo de subexposición con una antena de radar de barrido electrónico y, volver a barrer observando de regreso el área bajo vigilancia, reconfigurando electrónicamente el haz de barrido a una posición de desfase durante un segundo periodo de subexposición, intercalados el primer y segundo periodos de subexposición entre un periodo de exposición en un área diferente bajo vigilancia dentro de un periodo de barrido dado tal que los retornos de señal indicativos de ecos parásitos se pueden identificar independientemente de los retornos de señal generados por blancos mejorando así la detectabilidad de los blancos en los ecos parásitos marinos en donde el primer periodo de subexposición y el segundo periodo de subexposición son coherentes, utilizando una primera frecuencia fija para el primer periodo de subexposición y una segunda frecuencia fija diferente para el segundo periodo de subexposición.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 en el que la antena se monta en una plataforma, siendo la plataforma un avión, barco o vehículo en tierra.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2 en donde el método comprende cambiar, en un intervalo de repetición de pulso, entre observar en una primera dirección y una segunda dirección correspondientes a respectivos ángulos de haz de 0 ° y -0° alrededor del eje de puntería de la antena.

4. Un sistema de radar de vigilancia marítima para detectar blancos que comprende una antena de radar de barrido electrónico adaptada para llevar a cabo el método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3.