FI106656B - Menetelmä ja järjestelmä tutkaheijastavuuden ja doppler-siirtymän mittaamiseksi pulssitutkalla - Google Patents

Menetelmä ja järjestelmä tutkaheijastavuuden ja doppler-siirtymän mittaamiseksi pulssitutkalla Download PDF

Info

Publication number
FI106656B
FI106656B FI980677A FI980677A FI106656B FI 106656 B FI106656 B FI 106656B FI 980677 A FI980677 A FI 980677A FI 980677 A FI980677 A FI 980677A FI 106656 B FI106656 B FI 106656B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
att
block
för
pulse
som
Prior art date
Application number
FI980677A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI980677A0 (fi
FI980677A (fi
Inventor
Markku Sakari Lehtinen
Original Assignee
Markku Sakari Lehtinen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Markku Sakari Lehtinen filed Critical Markku Sakari Lehtinen
Priority to FI980677 priority Critical
Priority to FI980677A priority patent/FI106656B/fi
Publication of FI980677A0 publication Critical patent/FI980677A0/fi
Publication of FI980677A publication Critical patent/FI980677A/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI106656B publication Critical patent/FI106656B/fi

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/41Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00 using analysis of echo signal for target characterisation; Target signature; Target cross-section
    • G01S7/411Identification of targets based on measurements of radar reflectivity
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/28Details of pulse systems
    • G01S7/285Receivers
    • G01S7/295Means for transforming co-ordinates or for evaluating data, e.g. using computers
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/483Details of pulse systems
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/52Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S15/00
    • G01S7/523Details of pulse systems
    • G01S7/526Receivers
    • G01S7/53Means for transforming coordinates or for evaluating data, e.g. using computers

Description

106656

Menetelmä ja järjestelmä tutkaheijastavuuden ja doppler-siirtymän mittaami-* seksi pulssitutkalla - Metod och arrangemang for att avmäta radarreflektans och dopplerförskjutning med en pulsradar 5 Keksintö koskee yleisesti pulssitutkajäijestelmiä ja niillä tehtäviä mittauksia. Erityisesti keksintö koskee sellaisia pulssitutkamittauksia, joissa uusi pulssi on lähetettävä jo ennen kuin edellinen pulssi on ohittanut mittausalueen. Esimerkinomaisia sovellusalueita ovat sää-, valvonta-ja kaukokartoitustutkat sekä sonaijärjestelmät.

Pulssitutka käsittää lähettimen ja vastaanottimen. Lähetin lähettää äärellisen mittai-10 sen radioaaltopulssin, joka siroaa tai heijastuu väliaineesta tai kiinteästä kohteesta. Vastaanottimella voidaan mitata heijastuvan signaalin tehoa tai doppler-siirtymää tai molempia. Vastaanottimeen saapuvasta signaalista otetaan näytteitä, joista voidaan laskea teho neliöimällä otetut näytteet Tehomittaus antaa tietoa kohteen tai väliaineen tutkaheijastavuudesta. Doppler-siirtymän estimaatit perustuvat signaalin auto-15 korrelaatiofunktion arvoihin, jotka saadaan kertomalla näytteet haluttua viivearvoa vastaavasti viivästetyillä näytteillä. Tyypillisiä pulssitutkasovelluksia ovat säätutkat, joiden tehomittauksista määritetään sademääriä ja viivemittauksista tuulen nopeuksia. Valvontatutkat mittaavat lentokoneiden, laivojen ja muiden kohteiden paikkoja ja liikettä. Kaukokartoitustutkilla mitataan satelliitista, lentokoneesta tai helikopte-20 rista maan pinnan ominaisuuksia. Lisäksi on olemassa tieteellisiä tutkalaitteita io-nosfaärin (70-1000 käi korkeusalue) mittauksiin ja alemman ilmakehän mittauksiin (MST-tutka, mesosfääri-stratosfääri-troposfääritutka). Sonar on vedenalaisiin mittauksiin käytettävä tutkan tapainen laite, jossa käytetään radioaaltojen asemesta ääniaaltoja. Kappaletta tai väliainetta, jonka sijainnista ja/tai liikkeestä tutkalla halutaan 25 saada tietoa, voidaan nimittää yleisesti kohteeksi. Kolmiulotteista tilaa, jossa mittaus tapahtuu, nimitetään mittausalueeksi.

Tarkastellaan esimerkkinä säätutkamittauksia, joissa nykyisin lähetetään pulsseja ta-. : savälisesti. Pulssintoistotaajuus (PRF; Pulse Repetition Frequency) eli toistotaajuus : · valitaan mittauksen mukaan.

30 Tutkaheijastavuutta mitattaessa käytetään riittävän pientä toistotaajuutta (PRF 300-500 Hz), jotta lähtetty pulssi poistuu mittausalueesta ennen kuin seuraava pulssi lähetetään. Tällöin vastaanotettu signaali sisältää vastetta vain yhdestä mittaustilavuu-desta ja saadaan yksikäsitteinen tutkaheijastavuuden mittaus. Suurin mittausetäisyys rmax voidaan tällöin laskea kaavasta 2 106656 I'm» = c T / 2, (1) jossa c on radioaaltojen (sonarin tapauksessa ääniaaltojen) nopeus väliaineessa ja T on peräkkäisten pulssien välinen aika eli toistotaajuuden käänteisluku. Esimerkiksi radioaalloille ilmassa toistotaajuudella 500 Hz peräkkäisten pulssien välinen aika on 5 2 ms ja suurin mittausetäisyys 300 km.

Tuulen nopeutta mitattaessa peräkkäisten pulssien välinen aika määrää suurimman nopeuden vmax, joka voidaan niitata yksikäsitteisesti. Se määräytyy kaavasta

Vm» = (λ/4) · PRF, (2) jossa λ on aallonpituus. Taajuudella 5.6 Ghz, joka on C-bandiksi nimitetyllä ylei-10 sesti käytetyllä tutkataajuusalueella, saadaan vmax = 0.0134 PRF, kun nopeus ilmaistaan metreinä sekunnissa ja toistotaajuus ilmaistaan hertseinä. Tyypillinen toistotaa-juus on 1 kHz ja suurin mitattavissa oleva nopeus tällöin 13.4 m/s.

Kaavoista (1) ja (2) nähdään, että toistotaajuuden kasvattaminen kasvattaa suurinta saavutettavaa nopeutta, mutta pienentää suurinta yksikäsitteistä etäisyyttä ja päin-15 vastoin. Käytännön mittaustilanteissa ei ole mahdollista mitata samanaikaisesti sekä nopeutta että etäisyyttä ainakaan tarkasti. Tätä ilmiötä kutsutaan kirjallisuudessa nimellä range-doppler dilemma tai range-velocity ambiguity (vrt. esim. Doviak and Zmic: ’’Doppler radars and weather observations”, Chapter 3.6, Academic Press, 1993). Ongelmaan ei ole tiedetty ratkaisua ainakaan vielä syyskuussa 1994 (COST 20 75 Weather radar Systems, International Seminar, Brussels, Belgium, 20-23

September 1994, EUR 16013 EN, 1995; U.S. Department of Commerce, NOAA, • Notice for Proposal Solicitation for a solution to "Doppler Dilemma").

Seuraavassa mainitaan joitakin tunnettuja yrityksiä edellä esitetyn ongelman ratkaisemiseksi. US-patentissa numero 3 935 572 käytetään neljää rinnakkaista mittaus-25 kanavaa. US-patentissa numero 3 987 443 toistotaajuutta muutetaan aika ajoin. US-patentissa numero 4 328 495 kukin pulssi koostuu vaihekoodatuista alipulsseista. \ US-patentissa numero 4 924 231 käsitellään suuri määrä lähetettyjä signaaleja ja niiden kaikuja yrittäen löytää parasta korrelaatiota. US-patentti numero 5 027 122 käsittelee doppler-mittauksen parantamista signaalin prosessoinnilla. US-patentissa 30 numero 5 247 303 pulssit jaetaan kehyksiin ja kussakin kehyksessä ainakin yhteen pulssiin aiheutetaan tahallinen vääristymä. US-patentissa numero 5 276 453 on esitetty kahteen toisistaan poikkeavaan signaalitaajuuteen perustuva menetelmä. US-patentissa numero 5 583 512 käytetään yhteistä, kaksiulotteista korrelaattoria etäisyyden ja doppler-siirtymän määrittämiseksi samanaikaisesti. US-patentissa numero 3 106656 5 621 514 käytetään radiotaajuuksien asemesta valopulsseja ja prosessoidaan vastaanotettua signaalia doppler-siirtymän määrittämiseksi. US-patentissa numero 5 659 320 käsitellään sonaria puuttumatta tarkemmin nopeus- ja heijastavuusmit-tauksen väliseen ristiriitaan. PCT-hakemusjulkaisussa numero WO 96/00909 ja vas-5 taavassa US-patentissa numero US-5 442 359 esitetään eräitä aritmeettisia menetelmiä vastaanotetun signaalin käsittelemiseksi.

Jos mittauksen jatkuvuus ei ole tärkeää, edellä esitetyn ongelman ratkaisemiseksi voidaan käyttää ns. multipulssikoodeihin perustuvaa menetelmää, joka on esitetty esimerkiksi julkaisussa Farley: ’’Multiple-pulse incoherent-scatter correlation 10 function measurement”, Radio Science, 7, 661-666. Siinä lähetetään pieni määrä pulsseja (tavallisesti 3-6 pulssia) siten, että kaikkien pulssien väliset ajat eli ns. pulssietäisyydet ovat erisuuruisia ja yhden etäisyyden (pieniä) monikertoja. Tämän jälkeen lähettäminen lopetetaan ja vastaanotto aloitetaan. Lähettämistä ei aloiteta uudelleen ennen kuin viimeinenkin edellisen pulssijonon pulssi on edennyt hyvin 15 kauaksi, tyypillisesti noin 2000 km:n päähän. Menetelmää on sovellettu erityisesti ionosfaäritutkamittauksissa, joissa kiinnostava alue on hyvin kaukana tutkasta. Tällöin on pelkästään hyödyllistä, että vastaanoton myöhäisen aloittamisen takia läheltä tutkaa tulevat heijastukset jäävät vastaanottamatta. Säätutka- ja lyhyen etäisyyden valvontatutkasovelluksiin menetelmä ei sovellu, koska tietoa saadaan vain kaukana 20 tutkasta sijaitsevalta alueelta.

Multipulssikoodeihin perustuvassa mittauksessa pienin pulssietäisyys määrittää suurimman mitattavissa olevan nopeuden kaavan (2) mukaisesti. Lähetetyn multi-pulssikoodin kokonaispituus rajoittaa suurinta määritettävissä olevaa autokorrelaa-tiofunktion viivearvoa, mutta yksikäsitteinen nopeuden mittaus on periaatteessa 25 mahdollinen mielivaltaisen pitkillä etäisyyksillä. Tehomittaus ei ole yksikäsitteinen vaan se antaa summan heijastuneista tehoista useammalta eri etäisyydeltä. Yhteen tehomittaukseen summautuu siis tietoa yhtä monelta etäisyydeltä kuin koodin pulssien lukumäärä. Tällaista tehomittausta pidettiin aikomaan käyttökelvottomana, mutta sittemmin on esitetty menetelmä mittauksen hyödyntämiseen (vrt. Lehtinen « 30 and Huuskonen: ’’The use of multipulse zero lag data to improve incoherent scatter radar power profile accuracy”, J. atmos. terr. Physics, 48, 787-793). Multipulssimit-tauksen tehokkuutta on parannettu ns. altemoivilla koodeilla (vrt. Lehtinen and Häggström: ”A new modulation principle for incoherent scatter measurements”, Radio Science, 22, 625-634), jotka ovat huomattavasti aiemmin tunnettuja multi-35 pulssikoodeja tehokkaampia.

4 106656

Esillä olevan keksinnön tavoitteena on esittää menetelmä ja järjestelmä, jotka ratkaisevat tehonmittauksen ja doppler-mittauksen välisen ristiriidan ilman tunnettujen multipulssikoodien käyttöön liittyviä vajavaisuuksia.

Keksinnön tavoitteet saavutetaan kuvaamalla mittausarvoja oleellisesti lineaarisella 5 yhtälöryhmällä, joka on riippuvainen mitattavien ominaisuuksien tuntemattomista arvoista, ja soveltamalla inversioteoriaa kyseisen yhtälöryhmän ratkaisemiseen.

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista, että siinä selvitetään mitattavien ominaisuuksien jakauma eri etäisyyksillä kuvaamalla se oleellisesti lineaarisella yhtälöryhmällä, jossa muuttujina ovat mitattavien ominaisuuksien arvot halu-10 tuilla etäisyyksillä, ja ratkaisemalla mainittu oleellisesti lineaarinen yhtälöryhmä mainittujen muuttujien suhteen, jolloin halutut etäisyydet määrittävät mitattavien ominaisuuksien kannalta epäyhtenäisen alueen.

Keksintö kohdistuu myös järjestelmään, jolle on tunnusomaista, että se käsittää välineet sellaisen oleellisesti lineaarisen yhtälöryhmän ratkaisemiseksi, jossa muuttuji-15 na ovat mitattavien ominaisuuksien arvot halutuilla etäisyyksillä järjestelmästä, jolloin halutut etäisyydet määrittävät mitattavien ominaisuuksien kannalta epäyhtenäisen alueen.

Keksinnön mukaisesti pulssitutkan lähetin lähettää jatkuvaa pulssijonoa, jossa pulssit sijaitsevat eripituisin välein. Pulssijono on jaksollinen, jolloin sama toisiaan 20 eripituisin välein seuraavien pulssien muodostama koodi toistuu tietyn ns. jaksonajan jälkeen. Jaksonaika valitaan vähintään yhtä pitkäksi kuin se aika, jossa tietty pulssi ehtii edetä ulos mittausalueesta. Vastaanotin vastaanottaa oleellisesti aina * silloin, kun lähetin ei lähetä. Vastaanotettu teho näytteistetään, jolloin saadaan joukko peräkkäisiä näytteitä. Kukin näyte voidaan esittää summana, jossa on kontri-25 buutiota tietystä määrästä näytettä edeltäneitä pulsseja. Kontribuution suuruuden kertoo tietty painotusfunktio. Lisäksi näytteisiin summautuu kohinaa.

Tutkaheijastavuuden tai vastaavan mitattavan suureen määrittämiseksi kaikilla halu-. · tuilla etäisyyksillä muodostetaan lineaarinen yhtälöryhmä, jossa tuntemattomia ovat halutut mitattavien suureiden arvot ja niitä kertovat kertoimet määräytyvät lähete-30 tyistä pulsseista ja painotusfunktioista jäljempänä selostettavalla tavalla. Mitattavien suureiden arvot selvitetään ratkaisemalla kyseinen yhtälöryhmä tuntemattomia?: suhteen tilastollisen inversioteorian avulla.

: Doppler-mittausta varten muodostetaan haluttu määrä autokorrelaatiofunktion arvo ja kertomalla näytejonoa sen viivästetyillä kopioilla. Muodostuvat ns. viivästetyt 5 106656 tulot riippuvat kohteen sironta-autokorrelaatiofunktiosta eri etäisyyksillä samaan tapaan lineaarisen yhtälöryhmän kuvaamana kuin heijastavuudet edellä, ja halutut arvot saadaan ratkaisemalla kyseinen yhtälöryhmä samoin kuin heijastavuuden tapauksessa. Kun pulssien väliset aikaerot on valittu sopivasti, kukin viivemittaus riip-5 puu vain yhdestä etäisyydestä, jolloin mittauksia kuvaavan yhtälöryhmän ratkaiseminen on helppoa.

Keksinnön avulla pystytään määrittämään tutkan mittaama muuttuja yksikäsitteisesti myös tilanteessa, jossa useammasta pulssista (tai viiveiden tapauksessa useammasta yhtä pitkän aikavälin erottamasta pulssiparista) saapuvat vasteet sekoittuvat tutka-10 vastaanottimessa.

Seuraavassa selostetaan keksintöä yksityiskohtaisemmin viitaten esimerkkinä esitettyihin edullisiin suoritusmuotoihin ja oheisiin kuviin, joissa kuva 1 esittää erästä yksinkertaista pulssijonoa, kuva 2 esittää erästä keksinnössä käytettäväksi soveltuvaa pulssijonoa, 15 kuva 3 esittää erästä keksinnön mukaista korrelaatioiden laskentaa ja kuva 4 esittää erästä keksinnön mukaista järjestelmää.

Tarkastellaan aluksi yleisesti tilannetta, jossa pulssitutkan tai sonarin lähetin lähettää joukon toisiaan seuraavia samanmuotoisia ja suhteellisen lyhyitä pulsseja, joita on yhteensä N kappaletta. Merkitään yleisesti n:nnen pulssin lähetyshetkeä tn :11a, 20 jossa n saa arvot l:stä N:ään. Pulssien vaiheet voivat olla joko satunnaisia tai ennalta valittuja. Samaan aikaan pulssitutkan tai sonarin vastaanotin ottaa vastaanotetusta ; signaalista näytteitä. Näytteet on edullisinta ottaa tasavälein ja yksinkertaisuuden t vuoksi voidaan olettaa, että näytteistysajan pituus on sama kuin yksittäisen pulssin kesto. Merkityksellisten mittaustulosten saamiseksi vastaanottimen ei ole edullista 25 ottaa huomioon näytteitä, jotka on otetty pulssin lähettämisen aikana tai välittömästi sen jälkeen ns. suoja-ajan kuluessa. Kuvassa 1 on esitetty yksinkertainen ajoitus-kaavio, jossa lähetin lähettää pulssit 101, 102 ja 103 hetkillä f1, t2 ja /3ja vastaanotin näytteissä Xrllä merkityissä aikaväleissä. Suoja-aikaa on merkitty d:llä ja se on tässä esimerkissä kahden aikavälin pituinen.

30 Jos tarkasteltavassa joukossa on N pulssia, siinä on myös N vastaanottojaksoa (kutakin pulssia seuraa vastaanottojakso, joka alkaa suojavälin päättymisestä ja päättyy seuraavan pulssin lähettämiseen). Merkitään «:nnen vastaanottojakson aikana otettu-; - ja näytteitä z” :llä, jossa m saa arvot l:stä N„Mn. Jos pulssit ovat epäsäännöllisin välein, eri vastaanottojaksoissa on eri määrä näytteitä. Näytteiden ottohetket voidaan matemaattisesti määritellä kaavalla Ä 106656 o /” = + d + mAt (3) jossa Ai merkitsee näytteistysajan pituutta. Yhden näytteistysajan aikana vastaan-5 otettu teho on summa eri etäisyyksiltä tulevista heijastuvista signaaleista, joita merkitään P(kAt):\L·, ja kohinatehosta PE. Matemaattisesti esitetään ζ:=Σ<(*Δί)ρ(4Δ')+^ m k

Painotusfunktiot A” (kAt) voidaan laskea mittauksen painotus- eli ambiguiteetti-funktioista sinänsä tunnetulla tavalla, jota on käsitelty esimerkiksi edellä mainituissa 10 viitejulkaisuissa. Painotusfunktio kertoo, mitkä etäisyydet vaikuttavat vastaanotettuun signaaliin. Tietty painotusfunktio kertoo oleellisesti sen, millä etäisyydellä kukin edellinen lähetyspulssi on hetkellä i”. Vain tietyt viimeisimmät lähetyspulssit tarvitsee ottaa huomioon, koska tutkamittauksessa voidaan määrittää tietty tutkimuskohteesta riippuva maksimietäisyys, jota kauempaa ei tule merkittäviä heijastuksia. 15 Esimerkiksi säätutkasovelluksissa maksimietäisyyden määrittely perustuu siihen, että vaikka pulssit lähetetään ns. nollaelevaatiolla eli lähetyspisteestä katsoen vaakasuoraan, suoraviivaisesti etenevä pulssi karkaa maapallon pinnan kaarevuudesta johtuen tietyn etäisyyden jälkeen ilmakehän säätieteellisesti merkittävien kerrosten yläpuolelle.

20 Kun vastaanotin vastaanottaa koko pulssijonon lähettämisen ajan (tosin jättäen lähe-' tyksen ja suojavälin aikaiset näytteen huomiotta), tuloksena on tietty äärellinen joukko näytteitä Z”. Ne voidaan kirjoittaa tietyn vektorin Z alkioiksi. Samalla tavalla painotusfunktiot A”(kAi) voidaan kirjoittaa matriisiksi A ja heijastuvat signaalit PfkAtJ voidaan kirjoittaa vektoriksi P. Tällöin yhden pulssijonon perusteella tehty 25 mittaus voidaan kirjoittaa matriisimuotoon - Z - AP + Pe (5) joka on eräs tunnettu tapa lineaarisen yhtälöryhmän esittämiseksi. Tuntemattomia ovat vektorin P esittämät eri etäisyyksiltä heijastuneet tehot. Lineaarisen inversio-teorian avulla yhtälöryhmälle (5) voidaan esittää ratkaisuestimaatti 30 Ρ = ΣρΑ.ττ~ιΖ (6) 7 106656 jossa Σ on ns. mittausvirheiden kovarianssimatriisi ja Σρ on ns. ratkaisun kovarianssimatriisi, joka voidaan esittää muodossa Σρ=(αγΣ-Ά)'1 (7)

Jos mittausvirheiden kovarianssimatriisina Σ käytetään identtistä matriisia, esitetty 5 ratkaisu on sama kuin usein käytetty ns. pseudoinverssiratkaisu (engl. pseudo inverse solution). Parempi tarkkuus ratkaisulle saadaan käyttämällä identtisen matriisin asemesta mittausvirheiden kovarianssimatriisia, joka voidaan joko arvioida itse mittausdatasta tai laskea teoreettisesti sinänsä tunnetulla tavalla, joka on esitetty esimerkiksi julkaisussa Asko Huuskonen and M. S. Lehtinen: ’’The accuracy of incohe-10 rent scatter measurements: error estimates valid for high signal levels”, J. Atmos. Terr. Phys., Vol 58, No. 1.-4., pp. 453-463, 1996).

Esillä olevan keksinnön kannalta ei ole oleellista, että lineaarisen yhtälöryhmän in-versioratkaisuun käytetään juuri edellä esitettyjä kaavoja. On sinänsä tunnettua, että sama inversioratkaisu voi olla nopeampi laskea muulla tavoin, esimerkiksi käyttä-15 mällä QR-hajotelmaa tai SVD-ratkaisua, jotka ovat tunnettuja numeerisia menetelmiä matriisiyhtälöiden ratkaisemiseksi.

Laskentaa helpottaa tietyissä tilanteissa se, että kaavojen (6) ja (7) esittämä lineaarisen yhtälöryhmän (5) ratkaisu koostuu oleellisesti kertoimista, jotka eivät riipu itse mittauksista. Kaavan (6) esittämä ratkaisu voidaan kirjoittaa yksinkertaisemmin 20 muodossa P = BZ (8) m T 1 jossa matriisi B on määritelty kaavalla B = ΣρΑ Σ ja se voidaan laskea valmiiksi. Kun tämän jälkeen saadaan mittaamalla tietyt näytteet, jotka kirjoitetaan vektorin Z alkioiksi, vastaavien eri etäisyyksiä kuvaavien tehoarvojen estimaatit, jotka kuvaa-25 vat heijastavuutta kullakin etäisyydellä, ovat vektorin P alkioita ja ne voidaan laskea kaavasta (8) yksinkertaisesti kerto-ja yhteenlaskuoperaatioilla.

• ·

Kuva 2 esittää erästä keksinnön edullisessa sovellutuksessa käytettävää pulssijonoa koordinaatistossa, jossa vaaka-akselina on aika ja pystyakseli kuvaa lähetettävää radiotehoa siten, että kuvion keskellä olevan nollaviivan yläpuolella esitettyjen puls-30 sien vaihe eroaa π radiaanin verran nollaviivan alapuolella esitettyjen pulssien vaiheesta. Pulssijonon pituus aika-akselilla on 12 ms. Kunkin pulssin pituus on 1 ps ja pulssien väli on lyhyimmillään noin 0,5 ms ja pisimmillään noin 2 ms. Pulssijonossa 8 106656 on 12 pulssia, jolloin keskimääräiseksi toistotaajuudeksi saadaan 1000 Hz ja pulssi-suhteeksi (engl. duty cycle) noin 0,1 %, joka vastaa tyypillisen tekniikan tason mukaisen säätutkan pulssisuhdetta. Oletetaan, että kyseessä on säätutkasovellus, joissa käytetään yleisesti maksimietäisyyttä 450 km; tätä vastaava aika on noin 3000 ps.

5 Lisäksi oletetaan, että näytteistysaika on sama kuin pulssin pituus eli 1 psja suoja-aika, jonka pituisena aikana juuri lähetetyn pulssin jälkeen ei huomioida näytteitä, on 6 ps.

Keksintö eroaa tunnetuista multipulssikoodeihin perustuvista menetelmistä siinä, että kuvan 2 esittämää pulssijonoa lähetetään syklisesti eli sitä toistetaan uudelleen 10 ja uudelleen pitämättä merkittävää taukoa toistokertojen välissä. Vastaanotin näyt-teistää oleellisesti koko ajan vastaanotettua signaalia näytteistysajan eli 1 ps.n välein, joten yhden kuvan 2 mukaisen pulssijonon lähetyksen aikana kertyy 12000 näytettä. Niistä on samanaikaisen lähetyksen (1 ps) tai suoja-ajan (6 ps) takia käyttökelvottomia vain 12 + 12-6 = 94 kappaletta, joten menetelmän arvioinnissa voi-15 daan olettaa näytteitä olevan suunnilleen 12000. Säätutkan antenni liikkuu yleensä suhteellisen hitaasti, jolloin tutkan voidaan olettaa mittaavan oleellisesti samaa kohdetta tietyn ajan, esimerkiksi 0,5 sekuntia. Satunnaisvirheiden vaikutus vähenee, kun tänä aikana toistetaan kuvan 2 mukaista pulssijonoa ja eri toistokerroilla saadut tulokset keskiarvoistetaan. Edellä esitetyin oletuksin keskiarvoistettavia toistokertoja 20 on noin 40. Seuraavaksi tarkastellaan, kuinka suurta laskentakapasiteettia tarvitaan tällaisen näytemäärän käsittelemiseksi.

Edellä mainittiin, että mittauksen maksimietäisyyttä vastaava aika on noin 3000 ps. Koska näytteistys tapahtuu 1 ps.n välein, tuntemattomia tehoarvoja on kaavan (8) * vektorissa P noin 3000 kappaletta. Näytteitä on kaavan (8) vektorissa Z noin 12000 25 kappaletta, joten kaavan (8) matriisin B koko on noin 3000 x 12000 alkiota eli kaava (8) kuvaa laskutoimitusta, jossa on 3000 x 12000 kertolaskuoperaatiota ja yhtä monta yhteenlaskuoperaatiota. Jos tällainen laskutoimitus on tehtävä kerran 0,5 sekunnissa, tarvittava laskentakapasiteetti on noin 144 Mflops (miljoonaa liukulukuoperaatiota sekunnissa), mikä on nykyaikaiselle tietokoneelle varsin kohtuullinen ♦ 30 vaatimus. Keskiarvoistusten vaatima laskentakapasiteetti on tässä jätetty huomiotta.

Laskentakapasiteetin tarvetta voidaan lisäksi haluttaessa pienentää radikaalisti edellä esitetystä. Jos kuvan 2 esittämässä pulssijonossa pulssien välisen aikaerot valitaan siten, että ne ovat saman suhteellisen pienen luvun monikertoja, kaavan (8) mukainen laskenta jakautuu toisistaan riippumattomiksi ryhmiksi. Merkitään mainittua 35 suhteellisen pientä lukua Kiila ja pidetään muut edellä esitetyt numeeriset oletukset muuttumattomina. Tällöin saadaan K toisistaan riippumatonta ryhmää, joista kusta- 9 106656 kin saadaan laskettua 3000/K tehoestimaattia ja joissa kussakin tarvitaan 12000/K (keskiarvoistettua) näytettä. Kaava (8) voidaan kirjoittaa muodossa

Pk = BkZk; k e [1, 2,K] (9) jolloin kunkin matriisin Bk koko on 3000/K x 12000/K ja nähdään, että tarvittava 5 laskentateho pienenee K:nteen osaan edellä esitetystä. Jos K on esimerkiksi 10, tarvittava laskentateho on vain 14,4 Mflops.

Edellä on selostettu tehomittausta, joka tähtää tutkaheijastavuuden selvittämiseen eri etäisyyksillä tutkasta tiettyyn maksimietäisyyteen saakka. Seuraavaksi selostetaan kohteen aiheuttaman sironnan autokorrelaatiofunktion mittaamista keksinnön mu-10 kaisessa menetelmässä eli ns. doppler-mittausta.

Doppler-siirtymän mittaaminen pulssitutkan vastaanottimessa ns. autokorrelaatio-analyysillä on sinänsä tunnettua ja siihen on olemassa vaihtoehtoisia menetelmiä. Eräs vaihtoehto on määrittää vastaanotetun signaalin spektri ja sovittaa siihen jotakin tunnettua spektrimallia, esimerkiksi Gaussista spektriä, jollakin tunnetulla sovi-15 tusalgoritmilla. Sovitusalgoritmi etsii sellaisen taajuussuuntaisen siirtymän, jolla tunnettu spektrimalli korreloi parhaiten vastaanotetusta signaalista saadun spektrin • kanssa. Tuloksena saatu siirtymä on sama kuin signaalissa väliaineen tai kohteen liikkumisen vaikutuksesta tapahtunut doppler-siirtymä ja siitä voidaan laskea väliaineen tai kohteen radiaalinen nopeus tutkalaitteiston suhteen.

20 Toinen tunnettu menetelmä doppler-siirtymän määrittämiseksi on esitetty US-pa-tentissa numero 5 442 359. Siinä vastaanotettua signaalia kuvaavaa näytejonoa viivästetään kulloinkin tiettyjen kahden pulssin välisen aikaeron verran ja lasketaan viivästetyn näytejonon korrelaatio viivästämättömän signaalin kanssa. Korrelaatio on kompleksinen funktio, jonka vaihekulma ei ratkea yksikäsitteisesti vaan se voi si-25 sältää 2π:η monikertoja. Patentissa numero US-5 442 359 tämä ongelma on ratkaistu siten, että kun korrelaatioita on laskettu useilla eri viiveillä, niiden vaihekulmiin etsi-. tään sellaiset 2π:η monikertojen suuruiset lisäykset, joilla vaihekulmat saadaan pie- nimmän neliösumman mielessä parhaiten vastaamaan tiettyä yksikäsitteistä doppler-siirtymää.

30 Keksinnön mukaisessa menetelmässä doppler-siirtymän, spektrin muodon tai spektrin momenttien (leveys ym.) määrittämistä varten vastaanotetuista näytteistä lasketaan viivästettyjä tuloja. Viivästettyä tuloa määrätyllä viiveellä x laskettaessa kerrotaan tietty ajanhetkellä i otettu näyte ajanhetkellä i+τ otetun näytteen kompleksikon- 10 106656 jugaatilla. Tämä toistetaan kaikille mahdollisille ajanhetken i arvoille. Eri x:n arvoilla lasketut viivästetyt tulot antavat viivästetyn tulon arvon eri etäisyydellä, joka on laskettavissa näytteenottohetkien ja pulssien lähetyshetkien avulla. Näitä viivästettyjä tuloja on tarpeen laskea vain sellaisilla viiveillä, jotka vastaavat lähetetyn pulssi-5 koodin tiettyjen kahden pulssin välistä aikaeroa, mutta näiden pulssien ei tarvitse olla peräkkäin lähetettyjä pulsseja.

Merkitään edellä kuvassa 2 esitettyjä 12:a pulssia jäijestyksessä kiijaimilla A.sta L:ään. Seuraavan 12 ms:n aikana lähetettäviä pulsseja merkitään vastaavasti A’:sta L’:ään. Koska koodi toistuu samanlaisena 12 ms:n kuluttua, saadaan pulssien sijain-10 neiksi aika-asteikolla kahden ensimmäisen jakson aikana seuraavat:

Taulukko 1

Pulssi Sijainti, ps Pulssi Sijainti, ps A__120__A;__12120 B__690__ET__12690 C__1440__C__13440 D__2030__D;__14030 E__2550__F__14550 F__3490__F__15490 G__4880__<j__16880 H__5410__FT__17410 I__6090__F__18090 J__7230__Γ__19230 K__7960__K]__19960 L 8940 L’ 20940

Taulukossa 1 esitetyistä pulssien sijainneista aika-asteikolla voidaan laskea kaikki mahdolliset pulssien väliset aikaerot. Näistä 120 pienintä on esitetty mikrosekuntei-15 na taulukossa 2. Taulukossa 1 esitettyjä pulssien lähetyshetkiä tarkastelemalla voi-: - daan havaita, että esimerkiksi viiveellä 520 ps laskettava viivästetty tulo on sellai nen, jossa kerrotaan pulssin D jälkeen vastaanotettuja näytteitä ja pulssin E jälkeen vastaanotettuja näytteitä keskenään; tällöin näytteiden ottoaikojen erotus on 520 ps.

106656

Taulukko 2 π 120 pienintä kahden pulssin välistä aikaeroa, ps 520 2430 4760 6910 9400 11430 530 2550 4890 7110 9450 11470 570 2600 5090 7240 9570 11480 590 2800 5200 7270 9650 12000 680 2850 5290 7280 9670 12520 730 2860 5400 7320 9950 12530 750 3080 5410 7350 10080 12570 940 3180 5450 7500 10090 12590 980 3370 5460 7530 10130 12680 1110 3380 5480 7810 10140 12730 1140 3440 5610 7840 10180 12750 1210 3530 5790 7940 10290 12940 1320 3540 5930 8030 10540 12980 1340 3740 5970 8250 10610 13110 1390 3750 6030 8260 10660 13140 1460 3970 6070 8460 10680 13210 1710 4060 6210 8470 10790 13320 1820 4160 6390 8560 10860 13340 1860 4190 6520 8620 10890 13390 1870 4470 6540 8630 11020 13460 1910 4500 6550 8820 11060 13710 * 1920 4650 6590 8920 11250 13820 2050 4680 6600 9140 11270 13860 2330 4720 6710 9150 11320 13870 2350 4730 6800 9200 11410 13910

Vastaava erotus on pulssien D’ ja E’ kesken. Koska kahdella pulssiparilla on sama • · etäisyys, on kyseessä perinteisestä säätutkatekniikasta tunnettu toiskertainen kaiku 5 (engl. second trip echo). Toisaalta, koska pulssiparin D’ ja E’ lähetysaika on 12000 ps myöhäisempi kuin pulssiparin D ja E, pulssipari D ja E on jo poistunut mittausalueesta ennen kuin pulssipari D’ ja E’ sinne saapuu ja siten mittaus on yksikäsitteinen. Tämä perustuu aikaisemmin esitettyyn oletukseen, jonka mukaan suurin mitattava etäisyys vastaa 3000 ps:n aikaa: koska esimerkkikoodi on valittu siten, että salo manlaiset pulssivälit toistuvat vasta 12000 ps:n välein, on kukin viivemittaus (edellä 12 106656 tehomittauksena käsiteltyä nollaviivemittausta lukuunottamatta) yksikäsitteinen eli mittaus antaa suoraan autokorrelaatiofunktion viivearvon jollain etäisyydellä.

Keksintö ei sisällä rajoitusta, jonka mukaan tietyn pulssiparin olisi poistuttava mittausalueesta ennen kuin toinen pulssipari, jossa pulssien keskinäinen aikaero on sa-5 ma, voidaan lähettää. Jos kaksi pulssiparia on vaikuttamassa yhtäaikaisesti, voidaan doppler-mittaukseen soveltaa edellä tehomittauksen yhteydessä selitettyä inversio-ratkaisua. Koska kohteen mitattava ominaisuus on tällöin sen aiheuttaman sironnan autokorrelaatiofunktio, kaavan (5) mukaisessa oleellisesti lineaarisessa yhtälöryhmässä vektori 2 kuvaa vastaanotetusta signaalista otetuista näytteistä laskettuja vii-10 västettyjä tuloja tietyllä viiveellä eri ajanhetkinä. Matriisin A alkiot kuvaavat edelleen painotus- eli ambiguiteettifunktioita ja P on vektori, jonka alkiot kuvaavat autokorrelaatiofunktion todellisia arvoja halutuilla etäisyyksillä. Yhtälöryhmän ratkaisu tapahtuu samalla tavalla kuin edellä, ottaen kuitenkin huomioon, että P on vektori, jonka alkiot kuvaavat autokorrelaatiofunktion estimaatteja halutuilla etäisyyk-15 sillä.

Otamme toiseksi esimerkiksi viivearvon 1110 ps, joka lasketaan pulsseista C ja E (sekä parista C\ E’ ja C”, E” jne). Tätä on havainnollistettu kuvassa 3. Kuvassa on esitetty osa lähetetyistä pulsseista kahdennettuna. Alempaa pulssijonoa on siirretty pulssin C lähetysajan verran vasemmalle, jolloin sen nolla-aika vastaa pulssin C lä-20 hetysaikaa. Ylempää pulssijonoa on siirretty pulssin E lähetysajan verran vasemmalle, jolloin nolla-aika vastaa pulssin E lähetysaikaa. Kuvasta nähdään, että mitkään muut pulssiparit eivät satu samoille ajankohdille. Ensimmäinen pulssipari, jossa tämä tapahtuu, on pari C’ ja E’, joka lähetetään vasta 12000 ps myöhemmin ja joka ei I näin ollen esiinny kuvassa.

25 Tietyillä etäisyyksillä ei mahdollisesti saada mittausta viiveellä 1110 ps aikaiseksi. Jos tutkalaitteen vastaanotin on suljettava lähetyspulssin ajaksi ja pidetään suljettuna lyhyen aikaa lähetyspulssin jälkeen (suoja-aika), on tietty minimietäisyys jota lähempänä mittaukset eivät ole mahdollisia. Jos suoja-aika on esimerkiksi 6 ps, ensimmäinen viivästetty tulo eli autokorrelaatiofunktion estimaatti viiveellä 1110 ps 30 saadaan, kun ensimmäinen pulssin C jälkeen otettu näyte (ajanhetkellä 1446 ps, 6 ps pulssin lähetyhetken 1440 ps jälkeen) ja ensimmäinen pulssin E jälkeen otetun näytteen kompleksikonjugaatti (ajanhetkellä 2556 ps) kerrotaan keskenään. Tämä tulo on estimaatti sillä etäisyydellä tutkasta, joka vastaa etenemisaikaa 6 ps. Seuraa-va tulo saadaan lisäämällä yksi näytteenottoväli kumpaankin aikaan, ja tulo on vas-35 taavasti etäisyydeltä, joka vastaa yhden näytteenottovälin verran pitempää etenemisaikaa. Keskenään kerrottavien näytteiden ristitulot muodostavat ns. viiveprofiilin.

13 106656

Tietyillä etäisyyksillä mittaus jää siis saamatta, koska jommassakummassa näyte-jonossa näyte puuttuu lähetyspulssien yhteydessä olevan suoja-ajan takia. Kuvan 3 yläosassa esitetty palkki 301 kuvaa viiveprofiilin muodostumista kaikkia etenemis-aikoja 0-3000 μβ vastaavilla etäisyyksillä ja katkokset palkissa 301 kuvaavat niitä 5 etäisyyksiä, joilta mittausta ei saada. Mittausten puuttuminen tietyiltä etäisyyksiltä ei ole haitallista, sillä kyseisille etäisyyksille saadaan mittauksia joiltakin muilta lähes samansuuruisilta viivearvoilta koodin pulssien paikkojen valinnan ansiosta.

Tulojen laskentaa voitaisiin jatkaa kunnes pulssipari C ja E' lähetetään. Koska edellä on kuitenkin oletettu maksimietäisyydeksi 3000 ps.ia vastaava 450 km, vii-10 veprofiilin laskenta voidaan kuvan 3 mukaisesti lopettaa 3000 ps:n kohdalla eli siihen sisällytetään noin 3000 näyteparia.

Edellä esitetty prosessointi tehdään halutulle määrälle viiveprofiileja; rajoituksena on lähinnä käytettävissä oleva laskentakapasiteetti. Kukin uusi viiveprofiih lisää mittauksen informaatiosisältöä. Viiveprofiileihin voidaan sovittaa jokin tunnettu 15 spektrimalli (esim. Gaussinen spektri doppler-siirtymällä) käyttäen tunnettuja sovi-tusmenetelmiä. Voidaan myös tehdä vaihekulman määritys samalla tavalla kuin on esitetty edellä mainitussa US-patentissa numero 5 442 359.

Kuvassa 4 on esitetty eräs keksinnön mukainen tutkajäijestelmä. Antenni 400 toimii esimerkissä sekä lähetys- että vastaanottoantennina ja signaali ohjataan lähettimestä 20 401 antenniin tai antennista vastaanottimeen 403 dupleksointikytkimellä 404. Vas- taanottimessa 403 on sinänsä tunnetulla tavalla välitaajuussekoitin 405, välitaajuus-vahvistin 406 ja A/D-muunnin 407. Sekoitustaajuus välitaajuussekoittimelle 405 ja lähettimelle 401 tulee paikallisoskillaattorista 402. Esimerkin tutkalaitteessa mitataan lähetetty pulssi erillisellä vastaanottimella 408, jossa on vastaavat osat: välitaa-25 juussekoitin 409, välitaajuusvahvistin 410 ja A/D-muunnin 411. Lähetetyn pulssin mittaaminen on tarpeellista, mikäli lähettimessä käytetään magnetronia, koska tällöin pulssin vaihetta ei pystytä suoraan kontrolloimaan. Klystron-lähettimillä pulssin vaihe on paremmin tiedossa ja lähetetyn pulssin mittaus ei välttämättä ole tarpeen.

Γ I

i *’ Lähettimen 401 ohjaus ja vastaanotetun data käsittely tapahtuu esimerkkilaitteessa 30 tietokoneen 412 ohjaamana. Pulssimuodot muodostetaan ohjelmallisesti pulssigene-raattorissa 414. Signaalin ilmaisu tapahtuu ohjelmallisesti I/Q- ilmaisulohkossa 415. Mitatun lähetyspulssin ilmaisua varten on kuvan esittämässä järjestelmässä oma il-maisulohko 413. Heijastavuuden laskenta alkaa signaalin neliön laskennalla lohkossa 419, jonka tulos käsitellään etäisyyden suhteen yksikäsitteiseksi ratkaisemalla 35 mittauksen vastetta kuvaavat yhtälöt lohkossa 420. Lopulliset tutkaheijastavuustu- 14 106656 lokset muodostetaan lohkossa 421. Kun heijastavuusarvot eri etäisyyksillä on saatu selvitettyä keksinnön mukaisella tavalla, lopulliset tulokset voidaan muodostaa ja tallentaa ja/tai esittää käyttäjälle sinänsä tunnetulla tavalla. Säätutkan tapauksessa tyypillinen lopullinen tulos on kuvio, jossa heijastavuusarvot on tulkittu meteorolo-5 gisiksi ilmiöiksi (esimerkiksi sateeksi eri voimakkuuksilla) ja esitetty graafisesti vä-rikoodeilla. Keksintö ei rajoita sitä, miten lopulliset tulokset muodostetaan tai esitetään.

Viivearvojen laskenta on hieman monimutkaisempaa. Näytteiden väliset ristitulot lasketaan lohkossa 416, jonka jälkeen ratkaistaan viiveiden etäisyydestä riippuvat 10 yhtälöt lohkossa 417. Näiden yhtälöiden kertoimet riippuvat lähetettyjen pulssien vaiheista. Tästä johtuen tuodaan vastaanottimella 408 mitattuja lähetyspulsseja kuvaava tiedot mukaan lohkossa 417 tapahtuvaan yhtälöiden ratkaisuun. Lopulliset nopeus-ja dopplerspektrilopputuotteet muodostetaan lohkossa 418, joka voi käyttää myös heijastavuustietoa lohkosta 420. Lopullisten tulosten muodostamiseen ja tal-15 lentämiseen ja/tai esittämiseen pätee, mitä on esitetty edellä heijastavuutta kuvaavien lopullisten tulosten yhteydessä.

Keksinnön mukaisen menetelmän ja edellä esitettyjen laskennallisten lohkojen toteuttaminen kuvan 4 esittämässä laitteistossa tapahtuu edullisimmin siten, että tietokone 412 käsittää ainakin yhden ohjelmamuistin, johon tallennettu ohjelma ohjaa 20 tietokoneen 412 toimintaa, jolloin keksinnön mukainen menetelmä muodostaa osan kyseisestä ohjelmasta. Matriisioperaatioiden, viivästettyjen tulojen laskennan ja muiden edellä käsiteltyjen laskutoimitusten ohjelmointi tietokoneen suoritettavissa oleviksi prosesseiksi on sinänsä alan ammattimiehen tuntemaa tekniikkaa. Tietokone 412 voi käsittää yhden tai useampia prosessoreita keksinnön mukaisen menetelmän 25 ja muiden sellaisten tehtävien suorittamiseksi, jotka liittyvät lähettimen 401 ja vas-taanotinten 403 ja 408 toiminnan ohjaamiseen. Tietokone 412 käsittää edullisimmin myös sinänsä tunnetut välineet antennin 400 liikkeiden ohjaamiseksi; näitä välineitä ei selvyyden vuoksi ole esitetty kuvassa 4. Kuvan 4 esittämä järjestelmä voi sijaita kiinteästi maa-asemassa tai jossakin kulkuvälineessä, kuten lentokoneessa, tai se :· 30 voidaan rakentaa siirrettäväksi.

Edellä esitetyt keksinnön suoritusmuodot on luonnollisesti tarkoitettu vain esimerkinomaisiksi eikä niillä ole keksintöä rajoittavaa vaikutusta. Erityisesti keksintö ei rajoita sitä, kuinka monta pulssia käytettävässä syklisesti toistuvassa pulssikoodissa on ja miten ne on tarkalleen ottaen sijoitettu jaksonajan ajalle.

Claims (12)

1. Menetelmä mitattavien ominaisuuksien jakauman mittaamiseksi tutkalla tai so-närillä, jossa menetelmässä lähetetään pulsseja ja vastaanotetaan pulssien lähettämisen välillä signaalia, joka riippuu lähetetyistä pulsseista ja mitattavien ominaisuuksi- 5 en jakaumasta eri etäisyyksillä, tunnettu siitä, että siinä selvitetään mitattavien ominaisuuksien jakauma eri etäisyyksillä kuvaamalla se oleellisesti lineaarisella yhtälöryhmällä, jossa muuttujina ovat mitattavien ominaisuuksien arvot halutuilla etäisyyksillä, ja ratkaisemalla mainittu oleellisesti lineaarinen yhtälöryhmä mainittujen muuttujien suhteen, jolloin halutut etäisyydet määrittävät mitattavien ominaisuuksi-10 en kannalta epäyhtenäisen alueen.
2. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat av att den egenskap hos objektet 30 som skall mätäs är reflektans, varvid nämnda väsentiigen lineära ekvationsgrupp har formen Z = AP m och dess lösning har formen 106656 P = BZ där Z är en vektor vars element beskriver kvadrater av prov av den mottagna sig-nalen vid olika tidpunkter, elementen i matris A beskriver en vägnings- dvs. ambi-guitetsfunktion, P är en vektor vars element beskriver reflektansens verkliga värden 5 pä önskade avständ, P är en vektor vars element beskriver reflektansens estimat pä önskade avständ, och matris B är en matris som loser ekvationsgruppen.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kohteen mitattava ominaisuus on heijastavuus, jolloin mainittu oleellisesti lineaarinen yhtälöryhmä on muotoa Z = AP 15 ja sen ratkaisu on muotoa P = BZ jossa Z on vektori, jonka alkiot kuvaavat vastaanotetusta signaalista otettujen näytteiden neliöitä eri ajanhetkinä, matriisin A alkiot kuvaavat painotus- eli ambiguiteet-tifunktioita, P on vektori, jonka alkiot kuvaavat heijastavuuden todellisia arvoja ha-20 lutuilla etäisyyksillä, P on vektori, jonka alkiot kuvaavat heijastavuuden estimaatte-; ja halutuilla etäisyyksillä, ja matriisi B on yhtälöryhmän ratkaiseva matriisi.
3. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat av att den egenskap hos objektet som skall mätäs är autokorrelationsfunktionen hos den dispersion den ästadkommer, 10 varvid nämnda väsentligen lineära ekvationsgrupp har formen Z = AP och dess lösning har formen 15 P=BZ där Z är den vektor vars element beskriver fördröjda ingängar som beräknats pä prov av en mottagen signal med en given fördröjning vid olika tidpunkter, elementen i matris A beskriver vägnings-, dvs. ambiguitetsfunktioner, P är en vektor vars element beskriver de verkliga värdena för autokorrelationsfirnktionen pä önskade 20 avständ, P är en vektor vars element beskriver autokorrelationesfunktionens estimat pä önskade avständ, och matris B är den matris som löser ekvationsgruppen. . 4. Förfarande enligt patentkrav 2 eller 3, kännetecknat av att matris B bestämts med formel B = Σ/,ΑΤΣ~1, där Σ är mätfelens kovariansmatris och Σρ är lösningens kovariansmatris. 25 5. Förfarande enligt patentkrav 2 eller 3, kännetecknat av att matris B beräknas pä förhand för att accelerera behandlingen av mätresultat.
3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kohteen mitattava ominaisuus on sen aiheuttaman sironnan autokorrelaatiofunktio, jolloin mainittu oleellisesti lineaarinen yhtälöryhmä on muotoa . . . 25 Z = AP ja sen ratkaisu on muotoa P = BZ jossa Z on vektori, jonka alkiot kuvaavat vastaanotetusta signaalista otetuista näytteistä laskettuja viivästettyjä tuloja tietyllä viiveellä eri ajanhetkinä, matriisin A al-30 kiot kuvaavat painotus- eli ambiguiteettifunktioita, P on vektori, jonka alkiot kuvaa- 16 106656 vat autokorrelaatiofunktion todellisia arvoja halutuilla etäisyyksillä, P on vektori, jonka alkiot kuvaavat autokorrelaatiofunktion estimaatteja halutuilla etäisyyksillä, ja matriisi B on yhtälöryhmän ratkaiseva matriisi.
4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että matriisi 5 B on määritelty kaavalla B = ΣρΑΓΣ~\ jossa Σ on mittausvirheiden kovarianssimatriisi ja Σρ on ratkaisun kovarianssimatriisi.
5. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että matriisi B lasketaan etukäteen mittaustulosten käsittelyn nopeuttamiseksi.
6. Förfarande enligt nägot av patentkrav 1-5, kännetecknat av att nämnda väsentligen lineära ekvationsgrupp delas före kalkyleringen av dess lösning i K inbör-des oberoende grupper, där K är ett pä förhand bestämt positivt helt tai, och för 30 nämnda R inbördes oberoende grupper beräknas lösningama skilt.
6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mai-10 nittu oleellisesti lineaarinen yhtälöryhmä jaetaan ennen sen ratkaisun laskemista K:ksi keskenään riippumattomaksi ryhmäksi, jossa K on ennalta määrätty positiivinen kokonaisluku, ja mainituille K:lle keskenään riippumattomalle ryhmälle lasketaan ratkaisut erikseen.
7. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat av att de pulser som skall sändas : bildar en cykliskt äterkommande pulskod, i vars cykliskt äterkommande period 106656 tidsskillnaden mellon inga tva pulser är lika stor som tidsskillnaden mellan tvä andra • pulser.
7. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että siinä lähetet-15 tävät pulssit muodostavat syklisesti toistuvan pulssikoodin, jonka syklisesti toistuvassa jaksossa minkään kahden pulssin välinen aikaero ei ole yhtä suuri kuin jonkin toisen kahden pulssin välinen aikaero.
8. System för att mätä fördelningen av egenskaper som skall mätäs, varvid syste-met innefattar radar eller sonar, som inrättats att sända pulser och ta emot en signal 5 som tas emot mellan pulssändningama, kännetecknat av att det innefattar organ (416, 417,419, 420) för att lösa en väsentligen linear ekvationsgrupp, där variabler-na utgörs av värdena för de uppmätta egenskapema pä önskade avständ frän syste-met, varvid de önskade avständen bestämmer en diskontinuerlig intervall i fräga om egenskapema som skall mätäs.
8. Järjestelmä mitattavien ominaisuuksien jakauman mittaamiseksi, joka järjestelmä käsittää tutkan tai sonarin, joka on jäljestetty lähettämään pulsseja ja vastaan- 20 ottamaan pulssien lähettämisen välillä vastaanotettavaa signaalia, tunnettu siitä, että se käsittää välineet (416, 417, 419, 420) sellaisen oleellisesti lineaarisen yhtälöryhmän ratkaisemiseksi, jossa muuttujina ovat mitattavien ominaisuuksien arvot halutuilla etäisyyksillä järjestelmästä, jolloin halutut etäisyydet määrittävät mitattavien ominaisuuksien kannalta epäyhtenäisen alueen.
9. System enligt patentkrav 8, kännetecknat av att det innefattar i seriell kopp- ling - en mottagare (403) för att generera en A/D-omvandlad mottagen signal, - en detektor (415) för att utföra I/Q-detektering av den mottagna signalen, - ett kvadreringsblock (419) för att kvadrera de prov som ingär i den I/Q-detekterade 15 signalen, - ett lösningsblock (420) för ekvationsgmppen för att lösa nämnda ekvationsgmpp och - ett resultatblock (421) för att bilda data som beskriver objektets egenskap utgäende frän de data ekvationsgruppens lösningsblock genererat. 20
9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää saijaankytkettyinä . - vastaanottimen (403) A/D-muunnetun vastaanotetun signaalin tuottamiseksi, - ilmaisimen (415) vastaanotetun signaalin I/Q-ilmaisun toteuttamiseksi, - neliöintilohkon (419) I/Q-ilmaistun signaalin käsittämien näytteiden neliöimiseksi, 30. yhtälöryhmän ratkaisulohkon (420) mainitun yhtälöryhmän ratkaisemiseksi ja - lopputuloslohkon (421) kohteen ominaisuutta kuvaavan tiedon muodostamiseksi yhtälöryhmän ratkaisulohkon tuottamien tietojen perusteella. 17 106656
10. System enligt patentkrav 8, kännetecknat av att det innefattar i seriell kopp-ling - en mottagare (403) för att generera en A/D-omvandlad mottagen signal, “ - en detektor (415) för att utföra I/Q-detektering av den mottagna signalen, 25. ett korrelationsblock (416) för att beräkna fördröjda ingängar, - ett lösningsblock (417) för ekvationsgmppen för att lösa nämnda ekvationsgmpp och - ett resultatblock (418) för att bilda data som beskriver objektets egenskap utgäende frän de data korrelationsblocket genererat. 30
10. Patenttivaatimuksen 8 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää sarjaankytkettyinä - vastaanottimen (403) A/D-muunnetun vastaanotetun signaalin tuottamiseksi, - ilmaisimen (415) vastaanotetun signaalin I/Q-ilmaisun toteuttamiseksi, 5. korrelointilohkon (416) viivästettyjen tulojen laskemiseksi, - yhtälöryhmän ratkaisulohkon (417) mainitun yhtälöryhmän ratkaisemiseksi ja - lopputuloslohkon (418) kohteen ominaisuutta kuvaavan tiedon muodostamiseksi korrelointilohkon tuottamien tietojen perusteella.
11. System enligt patentkrav 10, kännetecknat av att det dessutom innefattar en andra mottagare (408) för att generera den A/D-omvandlade signalen som beskriver den sända signalen samt leda den som referensdata tili nämnda lösningsblock (417) för ekvationsgmppen. . · 20 106656
11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että se käsittää ΠΙΟ saksi toisen vastaanottimen (408) A/D-muunnetun, lähetettyä signaaha kuvaavan signaalin tuottamiseksi sekä johtamiseksi vertailutietona mainittuun yhtälöryhmän ratkaisulohkoon (417).
12. Patenttivaatimuksen 10 mukainen järjestelmä, tunnettu sutä, että se käsittää lisäksi mainittujen korrelointilohkon (416), yhtälöryhmän ratkaisulohkon (417) ja 15 lopputuloslohkon (418) kanssa rinnan kytkettyinä nehöintilohkon (419), toisen yhtälöryhmän ratkaisulohkon (420) ja toisen lopputuloslohkon (421) sekä yhteyden mainitusta toisesta yhtälöryhmän ratkaisulohkosta (420) mainittuun lopputuloslohkoon (418). 20 1. Förfarande för att mätä fördelningen av egenskaper som skaU mätäs med radar eller sonar, varvid pulser sänds och en signal tas emot mellan pulssändningama, varvid signalen beror pä pulsema och de uppmätta signalemas fördelning pä olika * avständ, kännetecknat av att de uppmätta egenskapemas fördelning pä olika av- ständ undersöks genom att beskriva den med en väsentligen linear ekvationsgrupp, 25 där variablema utgörs av värdena för de uppmätta egenskapema pä önskade avständ, och genom att lösa nämnda väsentligen lineära ekvationsgrupp i förhällande tili nämnda variabler, varvid de önskade avständen bestämmer en diskontinuerhg inter-vaU i fräga om egenskapema som skall mätäs.
12. System enligt patentkrav 10, kannetecknat av att det dessutom innefattar i pa-rallellkoppling med nänmda korrelationsblock (416), ekvationsgruppens lösnings-block (417) och resultatblocket (418), ett kvadreringsblock (419), den andra ekva-tionsgmppens lösningsblock (420) och ett andra resultatblock (421), samt en forbin-5 delse Iran nämnda andra lösningsblock (420) för ekvationsgruppen till nämnda resultatblock (418).
FI980677A 1998-03-26 1998-03-26 Menetelmä ja järjestelmä tutkaheijastavuuden ja doppler-siirtymän mittaamiseksi pulssitutkalla FI106656B (fi)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI980677 1998-03-26
FI980677A FI106656B (fi) 1998-03-26 1998-03-26 Menetelmä ja järjestelmä tutkaheijastavuuden ja doppler-siirtymän mittaamiseksi pulssitutkalla

Applications Claiming Priority (10)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI980677A FI106656B (fi) 1998-03-26 1998-03-26 Menetelmä ja järjestelmä tutkaheijastavuuden ja doppler-siirtymän mittaamiseksi pulssitutkalla
US09/275,479 US6232913B1 (en) 1998-03-26 1999-03-24 Method and system for measuring radar reflectivity and doppler shift by means of a pulse radar
CA 2325697 CA2325697A1 (en) 1998-03-26 1999-03-25 Method and system for measuring radar reflectivity and doppler shift by means of a pulse radar
EP19990910411 EP1064564B8 (en) 1998-03-26 1999-03-25 Method and system for measuring radar reflectivity and doppler shift by means of a pulse radar
PCT/FI1999/000246 WO1999049332A1 (en) 1998-03-26 1999-03-25 Method and system for measuring radar reflectivity and doppler shift by means of a pulse radar
AU29381/99A AU2938199A (en) 1998-03-26 1999-03-25 Method and system for measuring radar reflectivity and doppler shift by means ofa pulse radar
JP2000538250A JP2002507755A (ja) 1998-03-26 1999-03-25 パルス・レーダによるレーダの反射率およびドップラー・シフトを測定するための方法およびシステム
CN 99806543 CN1227539C (zh) 1998-03-26 1999-03-25 用脉冲雷达测量雷达反射性和多谱勒偏移的方法和系统
DE69941211T DE69941211D1 (de) 1998-03-26 1999-03-25 Verfahren und system zur messung von radrareflekitität und dopplerfrquenzverschiebung mittels eines impulsradars
RU2000126837/09A RU2249230C2 (ru) 1998-03-26 1999-03-25 Способ и система измерения радиолокационной отражательной способности и доплеровского сдвига посредством импульсного радиолокатора

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI980677A0 FI980677A0 (fi) 1998-03-26
FI980677A FI980677A (fi) 1999-09-27
FI106656B true FI106656B (fi) 2001-03-15

Family

ID=8551377

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI980677A FI106656B (fi) 1998-03-26 1998-03-26 Menetelmä ja järjestelmä tutkaheijastavuuden ja doppler-siirtymän mittaamiseksi pulssitutkalla

Country Status (10)

Country Link
US (1) US6232913B1 (fi)
EP (1) EP1064564B8 (fi)
JP (1) JP2002507755A (fi)
CN (1) CN1227539C (fi)
AU (1) AU2938199A (fi)
CA (1) CA2325697A1 (fi)
DE (1) DE69941211D1 (fi)
FI (1) FI106656B (fi)
RU (1) RU2249230C2 (fi)
WO (1) WO1999049332A1 (fi)

Families Citing this family (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU7534201A (en) * 2000-06-06 2001-12-17 Altratek Inc System and method for detection and tracking of targets
US6552336B1 (en) * 2000-10-11 2003-04-22 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Non-invasive, opto-acoustic water current measurement system and method
EP1610150B1 (en) 2001-04-03 2016-06-22 Mitsubishi Electric Information Technology Centre Europe B.V. Method and apparatus for detecting a target signal and obstacle detection system
US6707415B1 (en) * 2002-12-20 2004-03-16 Honeywell International Inc. Method and system for generating weather and ground reflectivity information
US6870499B2 (en) * 2003-05-30 2005-03-22 The Boeing Company System and method for increasing resistance to target vibrations in synthetic aperture radar signals
US8294712B2 (en) * 2003-09-19 2012-10-23 The Boeing Company Scalable method for rapidly detecting potential ground vehicle under cover using visualization of total occlusion footprint in point cloud population
JP4375064B2 (ja) * 2004-03-10 2009-12-02 株式会社デンソー Radar equipment
EP1802996A2 (en) * 2004-07-12 2007-07-04 Signal-Labs, Inc. System and method for detection and tracking of targets
FI117653B (fi) * 2005-02-21 2006-12-29 Eigenor Oy Menetelmä ja laitteisto liikkuvien kohteiden havaitsemiseksi tutkalla
US7529319B2 (en) * 2006-04-13 2009-05-05 Mediatek Inc. Speed estimation method for telecommunication system
FR2901366B1 (fr) * 2006-05-16 2008-07-04 Thales Sa Procede de detection des reflecteurs d'une implusion electromagnetique
US20080238762A1 (en) * 2007-01-31 2008-10-02 Donald Spyro Gumas System and methods for multistep target detection and parameter estimation
US7755536B1 (en) * 2007-02-06 2010-07-13 The United States Of America As Represented By The Director, National Security Agency Method of signal processing for determining range and velocity of an object
FR2914750B1 (fr) * 2007-04-03 2009-07-03 Commissariat Energie Atomique EQUIVALENT RADAR SURFACE ESTIMATING METHOD
GB0711531D0 (en) * 2007-06-15 2007-07-25 Qinetiq Ltd Radar coordinate registration
GB0717031D0 (en) 2007-08-31 2007-10-10 Raymarine Uk Ltd Digital radar or sonar apparatus
US8077074B2 (en) * 2008-05-07 2011-12-13 Colorado State University Research Foundation Networked waveform system
US8223062B2 (en) * 2009-05-27 2012-07-17 Honeywell International Inc. Systems and methods for aircraft to aircraft exchange of radar information over low bandwidth communication channels
US8022859B2 (en) * 2009-06-02 2011-09-20 Honeywell International Inc. Systems and methods for using nexrad information to verify weather radar information
US8054214B2 (en) * 2009-09-30 2011-11-08 Honeywell International Inc. Systems and methods for preparing ground-based weather radar information for use in an installation vehicle
US8462026B2 (en) * 2009-11-13 2013-06-11 Ati Technologies Ulc Pulse code modulation conversion circuit and method
US8811467B2 (en) * 2010-06-28 2014-08-19 Fracticode Ltd. Methods and arrangements for employing coded transmissions
DE102010044742A1 (de) * 2010-09-08 2012-03-08 Atlas Elektronik Gmbh Method and apparatus for determining a Doppler frequency shift resulting from the Doppler effect
US8730084B2 (en) * 2010-11-29 2014-05-20 King Abdulaziz City For Science And Technology Dual mode ground penetrating radar (GPR)
RU2451904C1 (ru) * 2011-01-18 2012-05-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Способ измерения дальности
US9310481B2 (en) * 2012-05-31 2016-04-12 LogLinear Group, LLC Wide band clear air scatter doppler radar
WO2014165266A1 (en) 2013-03-12 2014-10-09 LogLinear Group, LLC Single beam wind speed and direction determination
CN103576134B (zh) * 2013-11-26 2015-10-07 北京航空航天大学 一种基于同轴双通道数据采集的全波形激光雷达系统
RU191380U1 (ru) * 2017-11-24 2019-08-05 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли России (Минпромторг России) Радиолокационная станция с однозначным измерением дальности до метеорологического объекта
WO2020160160A1 (en) * 2019-01-29 2020-08-06 The Board Of Regents Of The University Of Oklahoma Methods and apparatus for blind range recovery on pulse compression radars

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2709184B1 (fr) 1981-01-19 1996-03-01 Dassault Electronique Dispositif pour la levée d'ambiguïté dans des radars à impulsions à fréquence de récurrence commutable.
FR2743939B1 (fr) 1989-12-08 1998-07-31 Thomson Csf Procede et dispositif pour imposer un diagramme de rayonnement au repos a un reseau d'antennes de reception a formation adaptative de faisceau par le calcul
US5319586A (en) 1989-12-28 1994-06-07 Texas Instruments Incorporated Methods for using a processor array to perform matrix calculations
US5173706A (en) 1991-04-16 1992-12-22 General Electric Company Radar processor with range sidelobe reduction following doppler filtering
US5311183A (en) * 1991-06-13 1994-05-10 Westinghouse Electric Corp. Windshear radar system with upper and lower elevation radar scans
US5394155A (en) * 1993-08-16 1995-02-28 Unisys Corporation Apparatus and method for estimating weather spectral moments
US5724125A (en) 1994-06-22 1998-03-03 Ames; Lawrence L. Determination of wind velocity using a non-vertical LIDAR scan
US5548798A (en) 1994-11-10 1996-08-20 Intel Corporation Method and apparatus for solving dense systems of linear equations with an iterative method that employs partial multiplications using rank compressed SVD basis matrices of the partitioned submatrices of the coefficient matrix
US5617099A (en) 1996-01-22 1997-04-01 Hughes Aircraft Company Adaptive filtering of matched-filter data
DE19615353C2 (de) 1996-04-18 1998-05-20 Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt Verfahren zum aufwandgünstigen Bestimmen einer Impulsantwort eines hochauflösenden bandbegrenzten Radarkanals
GB9609883D0 (en) 1996-05-11 1996-07-17 Seetru Ltd Improvements in magnetic float type liquid level gauges
US5760734A (en) 1996-11-18 1998-06-02 Lockheed Martin Corp. Radar clutter removal by matrix processing
US5808580A (en) 1997-02-06 1998-09-15 Andrews, Jr.; Grealie A. Radar/sonar system concept for extended range-doppler coverage

Also Published As

Publication number Publication date
FI980677D0 (fi)
US6232913B1 (en) 2001-05-15
FI980677A0 (fi) 1998-03-26
EP1064564A1 (en) 2001-01-03
EP1064564B8 (en) 2010-07-07
CN1302380A (zh) 2001-07-04
CA2325697A1 (en) 1999-09-30
FI980677A (fi) 1999-09-27
JP2002507755A (ja) 2002-03-12
WO1999049332A1 (en) 1999-09-30
EP1064564B1 (en) 2009-08-05
CN1227539C (zh) 2005-11-16
RU2249230C2 (ru) 2005-03-27
AU2938199A (en) 1999-10-18
DE69941211D1 (de) 2009-09-17
FI106656B1 (fi)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10324165B2 (en) PMCW—PMCW interference mitigation
US20190094353A1 (en) Software defined automotive radar systems
CN106796283B (en) MIMO radar measurement method
US10024958B2 (en) Radar apparatus
Kulpa et al. Masking effect and its removal in PCL radar
EP0619024B1 (en) Correlation sonar system
EP0767919B1 (en) Apparatus and method for mitigating range-doppler ambiguities in pulse-doppler radars
US7277044B2 (en) System and method for adaptive broadcast radar system
US7038618B2 (en) Method and apparatus for performing bistatic radar functions
JP6278961B2 (ja) レーダ装置
WO2017187242A1 (en) On-demand multi-scan micro doppler for vehicle
Röttger et al. VHF radar studies of tropospheric velocities and irregularities using spaced antenna techniques
RU2628566C1 (ru) Способ работы радиолокационной станции с повышенными допплеровскими характеристиками
US5870056A (en) Air-to-air passive location system
ES2367598T3 (es) Método y sistema de altimetría.
JP6123974B2 (ja) レーダ装置
EP2307908B1 (en) Automotive radar with composite multi-slope fm chirp waveform
US5247303A (en) Data quality and ambiguity resolution in a doppler radar system
CN110031805A (zh) 雷达装置
CN102156279B (zh) 基于mimo的双基地雷达地面动目标检测方法
US4114155A (en) Position determining apparatus and method
US8217827B2 (en) Radar method and apparatus suitable for use in multipath environments
EP0650036A2 (en) Ultrasonic pulsed Doppler flow measurement system with two dimensional autocorrelation processing
US5262785A (en) Small target doppler detection system
US4143373A (en) Adaptive radar systems and methods therefor

Legal Events

Date Code Title Description
PC Transfer of assignment of patent

Owner name: EIGENOR OY

Free format text: EIGENOR OY

PC Transfer of assignment of patent

Owner name: INVERPOLIS OY

Free format text: INVERPOLIS OY

MM Patent lapsed