FI110965B - Method for using Frequency Modulated Frequency Modulated Continuous Wave Radar (FMICW) signal in geophysical remote sensing - Google Patents

Method for using Frequency Modulated Frequency Modulated Continuous Wave Radar (FMICW) signal in geophysical remote sensing Download PDF

Info

Publication number
FI110965B
FI110965B FI20012273A FI20012273A FI110965B FI 110965 B FI110965 B FI 110965B FI 20012273 A FI20012273 A FI 20012273A FI 20012273 A FI20012273 A FI 20012273A FI 110965 B FI110965 B FI 110965B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
signal
frequency
fmicw
gate
frequency modulated
Prior art date
Application number
FI20012273A
Other languages
Finnish (fi)
Swedish (sv)
Other versions
FI20012273A0 (en
Inventor
Henry Andersson
Aki Lilja
Original Assignee
Vaisala Oyj
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 Vaisala Oyj filed Critical Vaisala Oyj
Priority to FI20012273A priority Critical patent/FI110965B/en
Publication of FI20012273A0 publication Critical patent/FI20012273A0/en
Priority to AU2002338985A priority patent/AU2002338985A1/en
Priority to PCT/FI2002/000899 priority patent/WO2003044559A1/en
Application granted granted Critical
Publication of FI110965B publication Critical patent/FI110965B/en

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
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06Systems determining position data of a target
    • G01S13/08Systems for measuring distance only
    • G01S13/32Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S13/34Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal
    • 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
    • G01S13/00Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/95Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • G01S13/951Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for meteorological use ground based
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Description

110965110965

Menetelmä taajuusmoduloidun katkotun jatkuva-aaltotutkasignaalin (FMICW) käyttämi-. seksi geofysikaalisessa kaukotunnistuksessa . Keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaista menetelmää taajuusmo- 5 duloidun katkotun jatkuva-aaltotutkasignaalin (FMICW) käyttämiseksi geofysikaalisessa kaukotunnistuksessa.A method for using a frequency modulated interrupted continuous wave radar (FMICW) signal. sex in geophysical remote sensing. The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 for the use of a frequency modulated intermittent continuous wave radar (FMICW) signal for geophysical remote sensing.

Tämä asiakiija kuvaa modulointimenetelmän uuden käyttötavan tuulikeilaimen tutkasignaalin paluukaiun käytettävyyden parantamiseksi.This author describes a modulation method for improving the usability of the return beam of a wind detector radar signal.

1010

Keksintö koskee tuuliprofiloijatutkaa, mutta periaatetta voidaan käyttää missä tahansa kaukokartoituslaitteessa, joka mittaa tilavuussironnan tai tilavuusheijastuksen profiileja.The invention relates to wind profiler radar, but the principle can be used in any remote sensing device that measures volume scattering or volume reflectance profiles.

Keksintö koskee jäijestelmiä, jotka suorittavat geofysikaalisen tilavuuden, kuten ilmake-15 hän, meren, järven, maaperän jne. mittauksia. Keksintöä voidaan soveltaa säätutkaan, tuuliprofiloijatutkaan tai mihin tahansa muuhun järjestelmään, joka hankkii riippumattomia näytteitä väliaineesta lyhyin aikaeroin verrattuna mainitun väliaineen ilmaistun ilmiön häipymisaikaan. Keksintö soveltuu erityisesti monostaattisiin jäqestelmiin, mutta se ei rajoitu sellaisiin.The invention relates to ice systems that perform measurements of geophysical volume, such as atmospheric, sea, lake, soil, etc. The invention can be applied to weather radar, wind profiler radar or any other system that obtains independent samples of the medium at short time intervals relative to the fading time of the detected phenomenon of said medium. The invention is particularly applicable to, but not limited to, monostatic waste systems.

2020

Tyypillinen tuliprofiloijatutka käyttää pulssitettua lähetystä. Se lähettää lyhyen pulssin (pituudeltaan τ) ilmakehään ja kuuntelee sitten tämän pulssin paluukaikua. Vasteet eri etäisyyksiltä otetaan vastaan eri aikaan vastaanottimessa. Jos sirottajatiheys ilmakehässä olisi vakio, tutkan paluukaiussa näkyisi riippuvuus 1/r2 etäisyyteen nähden. Käytännössä 25 sirottajatiheys pienenee hitaasti korkeuden funktiona vapaassa troposfäärissä. Tästä johtuu sironnan riippuvuus etäisyyteen 1/r", missä n>2. Se seikka, että paluukaiku vaihtelee -- voimakkaasti etäisyyden funktiona, edellyttää suurta dynaamista aluetta vastaanottimessa.A typical fire profiler radar uses pulsed transmission. It sends a short pulse (τ in length) to the atmosphere and then listens to the return echo of this pulse. Responses from different distances are received at different times in the receiver. If the scattering density in the atmosphere were constant, the radar return wobble would show a dependence of 1 / r2 on the distance. In practice, the scattering density decreases slowly as a function of height in the free troposphere. This results in scattering dependence on the distance 1 / r ", where n> 2. The fact that the return echo varies - strongly as a function of distance - requires a large dynamic range at the receiver.

Keskimääräinen palaava teho etäisyyden funktiona tutkasta voidaan kiijoittaa seuraavaan • muotoon:The average return power as a function of distance from the radar can be plotted as follows:

Pr = C 1 P, 1 η(Γ) / r2, 30 110965 2 missä C sisältää kaikki vakiot mukaan lukien ne, jotka koskevat antennijäijestelmää, Pt on keskimääräinen lähetetty teho, T|(r) on keskimääräinen sirottajatiheys etäisyyden funktiona ja r on etäisyys tutkasta. Pulssitetussa muodossa Pt on vakio. Kaava pätee etäisyyk-5 sille, jotka ovat pienempiä kuin se, jolla edestakaiseen matkaan kuluva aika on pulssien väliajan suuruinen:Pr = C 1 P, 1 η (Γ) / r 2, 30 110965 2 where C includes all constants including those concerning the antenna array, Pt is the average transmitted power, T | (r) is the average scattering density as a function of distance, and r is the distance the radar. In the pulsed form, Pt is constant. The formula applies to distance 5 that is less than the time it takes to travel back and forth to the pulse interval:

Imax = Co/2 * Tpulssi» 10 missä Co on valonnopeus ja TpuisSi on kahden peräkkäisen pulssin lähetyksen aikaväli.Imax = Co / 2 * Pulse »10 where Co is the speed of light and TpuisSi is the time interval for transmission of two consecutive pulses.

Tyypillisesti T|(r) on funktio, jonka muotoa ei tunneta. Vapaassa troposfäärissä tropo-paussia lähestyviin korkeuksiin asti T|(r) on tavallisesti etäisyyden laskeva funktio.Typically, T | (r) is a function of unknown form. In the free troposphere up to heights approaching the troposphere, T 1 (r) is usually a function of distance.

15 Vastaanotetun tehon yhtälöä voidaan käyttää lähtien ensimmäisestä etäisyydestä, jolla tutka pystyy saamaan paluukaiun lähetyksen katkaisun jälkeen. Voimme täten kiijoittaa:The received power equation can be used from the first distance the radar is able to receive a return echo after the transmission is cut. Hereby we can say:

Pr = C * Pt * ri(r) / r2, missä rcrmax (yhtälö 1) 20 Kun katsotaan yhtälöä 1, voidaan ymmärtää, että tuuliprofiloijatutkat, mutta myös säätut-kat, havaitsevat sirottajat usein tietylle etäisyydelle asti. Jos vastaanottimen teho Pr putoaa alle ilmaistavan arvon etäisyydellä ro, tarvitaan suuri kasvu funktiossa Ti(r), eli suurempi kuin r.2 kasvu, tekemään signaali havaittavaksi. On hetkiä, jolloin tämä tapahtuu, erityisesti säätutkissa (jos on sade etäisyyden ro takana), mutta myös tuuliprofiloijissa, kun on 25 olemassa suuremman sirottajatiheyden kerros etäisyyden ro takana.Pr = C * Pt * ri (r) / r2 where rcrmax (Equation 1) 20 When looking at Equation 1, it can be understood that wind profiler radars, but also tuned radars, often detect scatterers up to a certain distance. If the receiver power Pr falls below the detectable value at a distance ro, a large increase in the function Ti (r), i.e. greater than r.2, is required to make the signal detectable. There are times when this happens, especially in weather radar (if there is rain behind distance ro), but also in wind profilers when there is a layer of higher scattering density behind distance ro.

' ·' Havaitsemisrajan ro parantamistapana on ollut käyttää koodattua pulssilähetystä. Käytetty koodaus on tyypillisesti binäärinen vaihekoodaus. Kun tarkastellaan samaa alueresoluu-tiota kauttaaltaan tässä kuvauksessa, koodattu pulssi koostuu baudeista, jotka ovat yhtä 30 pitkiä kuin alkuperäiset pulssit edellä olevassa selostuksessa. Jos pulssissa on n baudia, ja jos pulssintoistotaajuus pidetään vakiona (jotta pysyttäisiin radiaalinopeuksien samalla 110965 3'·' The method of improving the detection limit ro has been to use encoded pulse transmission. The coding used is typically binary phase coding. When considering the same region resolution throughout this description, the coded pulse is composed of bauds equal to the original pulses in the above description. If there are n bauds per pulse and if the pulse repetition rate is kept constant (to keep the radial velocities at the same 110965 3

Nyquistin alueella, keskimääräinen lähetettävä teho Pt voidaan suurentaa n-kertaiseksi. Tuuliprofiloijatutkan herkkyyden arvioimiseksi voimme käyttää täten yhtälöä 1, sen jälkeen kun on ensin päivitetty keskimääräinen lähetettävä teho.In the Nyquist region, the average transmit power Pt can be increased by n times. We can therefore use equation 1 to estimate the sensitivity of the wind profiler radar after having first updated the average power transmitted.

5 Ongelma tutkakaiun voimakkaasta riippuvuudesta etäisyydestä säilyy myös koodatussa lähetyksessä; Lisäksi on olemassa toinen ongelma: korkeuksia alle co/2*n*T ei voida saada esiin pulssin täydestä dekoodauksesta. Tämä johtuu siitä seikasta, että pulssin alku on jo tullut vastaanottavaan antenniin ajanhetkellä, jolloin vastaanotin kytketään päälle. Tämä johtaa menettelyihin, jotka tunnetaan osittaisen pulssin dekoodauksena, joka tuo lisää 10 hankaluuksia ja epävarmuuksia ilmaisuprosessiin.5 The problem of the strong distance dependence of the radar echo also persists in coded transmission; In addition, there is another problem: heights below co / 2 * n * T cannot be recovered from full decoding of the pulse. This is because the beginning of the pulse has already entered the receiving antenna at the time the receiver is turned on. This results in procedures known as partial pulse decoding, which adds to the hassle and uncertainty of the detection process.

Se seikka, että osittainen pulssin dekoodaus on epävarmempaa kuin yksinkertaisten pulssien käyttö, on tuonut mukanaan sellaisen käytännön, jossa pulssiprofiloijia käytetään kahdessa toimintamuodossa: alatoimintamuodossa ja ylätoimintamuodossa. (Yksinker-15 täistä) pulssitettua lähetystä käytetään alatoimintamuodossa profiilien hankkimiseksi korkeuteen ro asti, ja koodattua pulssilähetystä käytetään profiilin laajentamiseksi ohi korkeuden ro.The fact that partial pulse decoding is less secure than the use of simple pulses has led to the practice of using pulse profilers in two modes: down mode and top mode. The (simple-to-15) pulsed transmission is used in the sub-mode to acquire profiles up to the height ro, and the encoded pulse transmission is used to expand the profile past the height ro.

Toinen tekniikka, jota käytetään joissakin ilmakehää tutkivissa tutkissa, on taajuusmodu-20 loidun jatkuvan aallon menetelmä. Tässä menetelmässä lähetin ja vastaanotin ovat jatku vasti päällä, ja siinä lähetystä ja vastaanottoa varten on olemassa eri antennit. Näissä jär- c jestelmissä keskimääräinen lähetettävä teho on yhtä kuin lähetettävä huipputeho, mikä antaa järjestelmälle paremman herkkyyden.Another technique used in some atmospheric radar radars is the frequency mode-20 continuous wave method. In this method, the transmitter and receiver are continuously turned on, and there are different antennas for transmission and reception. In these systems, the average transmit power is equal to the peak transmit power, which gives the system greater sensitivity.

25 FMCW-menetelmän heikkoutena on tarve eristää lähetetty aaltomuoto vastaanottimesta. Jos eristys ei ole riittävä, tehokasta lähetyssignaalia ja heikkoa heijastunutta signaalia ei voida erottaa toisistaan vastaanottimen äärellisen dynaamisen alueen takia.A weakness of the FMCW method is the need to isolate the transmitted waveform from the receiver. If the isolation is not sufficient, the effective transmission signal and the weak reflected signal cannot be distinguished due to the finite dynamic range of the receiver.

FMCW-jäijestelmät ovat osoittautuneet käytännössä liian monimutkaisiksi, jotta niitä 30 voitaisiin käyttää kaupallisissa säätutkissa ja tuuliprofiloijissa.FMCW rigid systems have proven to be too complex in practice to be used in commercial weather radar and wind profilers.

110965 4110965 4

Nyt kyseessä olevan keksinnön tarkoituksena on ratkaista edellä kuvatun tekniikan haitat ja antaa täysin uuden tyyppinen menetelmä taajuusmoduloidun katkotun jatkuva-aaltotutkasignaalin (FMICW) käyttämiseksi geofysikaalisessa kaukokartoituksessa.The object of the present invention is to overcome the drawbacks of the above-described technique and to provide an entirely new type of method for the use of frequency modulated intermittent continuous wave radar (FMICW) signal in geophysical remote sensing.

5 Keksintö sisältää menetelmän lähetettävän signaalin moduloimiseksi, menetelmän siron-neen/heij astuneen signaalin vastaanottamiseksi mitattavasta geofysikaalisesta väliaineesta ja takaisinkytkentäsilmukan, jota käytetään, jotta saadaan johdetuksi vastaanotetusta sig-naaliprofiilista uusi modulointiparametrisaija, joka auttaa mittaamaan geofysikaalisen profiilin asiaankuuluvat osat paremmin kuin siinä tapauksessa, että parametrejä ei vaihto dettaisi tai ne vaihdettaisiin ennalta määritellyllä tavalla.The invention includes a method for modulating a signal to be transmitted, a method for receiving a Siron / reflected signal from a geophysical medium to be measured, and a feedback loop used to derive from the received signal profile a new modulation parameter time that no replacement would be detected or replaced in a predetermined manner.

Modulointi koostuu taajuuspyyhkäisyn ja pulssituksen jäijestelmästä. Taajuuspyyhkäisyn taajuusdeviaatio määrittää geofysikaalisen profilointijäijestelmän alueresoluution. Jatkuva taajuuspyyhkäisy on jaettu lähetyksen ja vastaanoton alalohkojen toistuvaksi ketjuksi.The modulation consists of a rigid system of frequency sweep and pulse. Frequency sweep frequency deviation determines the regional resolution of the geophysical profiling system. Continuous frequency sweep is divided into a repetitive chain of transmit and receive sub-blocks.

1515

Vastaanottojärjestelmä ottaa vastaan lähetetyt signaalit, jotka on sirottanut/heijastanut mitattava geofysikaalinen väliaine. Antennista saatava signaali viedään vastaanottojärjestelmään vain niinä aikoina, kun lähetys on kytketty pois. Tämä mahdollistaa sen, että käytetään vain yhtä antennia, mutta hyötyjakso on silti suuri verrattuna passitettuun tai 20 koodattuun pulssimodulointiin.The receiving system receives the transmitted signals scattered / reflected by the geophysical medium to be measured. The signal from the antenna is only fed to the receiving system while the transmission is off. This allows only one antenna to be used, but still has a long payload compared to pass-through or encoded pulse modulation.

Keksinnön tavoite toteutetaan vaihtamalla porttitaajuutta keskimääräisen signaalitehon maksimoimiseksi halutulla etäisyydellä antennista.The object of the invention is achieved by changing the port frequency to maximize the average signal power at a desired distance from the antenna.

25 Keksinnön mukaiselle menetelmälle on erityisesti ominaista se, mitä on lausuttu patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.The method according to the invention is particularly characterized by what is stated in the characterizing part of claim 1.

Keksintö tarjoaa huomattavia etuja tunnettuun tekniikkaan verrattuna.The invention offers considerable advantages over the prior art.

110965 5110965 5

Keksintö antaa tehokkaan keinon mitata geofysikaalisia takaisinsirontaprofiileja jäijes-telmällä, joka käyttää samaa antennin apertuuria sekä lähetystä että vastaanottoa varten. Tämä keksintö ei aiheuta tarvetta erillisestä lähetyksen ja vastaanoton säteilyaukosta.The invention provides an effective means of measuring geophysical backscatter profiles with a rigid system using the same antenna aperture for both transmission and reception. The present invention does not require a separate transmission aperture for transmission and reception.

S Keksintöä voidaan kuitenkin soveltaa kahden säteilyaukon eli multistaattisissa järjestelmissä, jos muut seikat tekevät tällaisesta menetelmästä haluttavan.However, the invention can be applied to two radiation apertures, i.e. multistatic systems, if other factors make such a method desirable.

Keksintö: 10 - vähentää olennaisesti tarvittavaa huipputehoa geofysikaalisen profilointi- jäjjestelmän tietyllä jatkuvalla profilointialueella, - poistaa kahden antennin taipeen suuren käyttöhyötyjakson profilointijär-jestelmässä, 15 - pienentää geofysikaalisen profilointijärjestelmän vastaanottimessa tarvittavaa tehon ilmaisun dynaamista aluetta.The invention: 10 - substantially reduces the peak power required in a given continuous profiling area of a geophysical profiling system, - eliminates the deflection of two antennas in a high useful life profiling system, 15 - reduces the dynamic range of power detection required in a receiver of a geophysical profiling system.

Keksinnön mukaisella menetelmällä on mahdollista muodostaa modulointi, jota voidaan 20 parametroida geofysikaalisen väliaineen halutun valaisun saamiseksi. Keksintö antaa myös vastaanottojärjestelmän, joka muuttaa sironnan määrää etäisyyden funktiona. Keksinnön takaisinkytkentäsilmukka asettaa moduloinnin parametrit optimaalisen (jäijestel-män käyttäjän määrittämän) suorituskyvyn saamiseksi.By the method of the invention, it is possible to generate modulation that can be parameterized to obtain the desired illumination of the geophysical medium. The invention also provides a receiving system that changes the amount of scattering as a function of distance. The feedback loop of the invention sets the modulation parameters to obtain optimal (defined by the rigid system user) performance.

25 Seuraavassa keksintöä kuvataan yksityiskohtaisesti esimerkinomaisten suoritusmuotojen ja oheistettujen kuvioiden avulla, joista kuvioista: kuvio 1 esittää FMICW-moduloinnin periaatteen taaj uus-aika-käyrän, 30 kuvio 2 esittää FMICW-moduloinnin periaatteen toisen taaj uus-aika-käyrän, 110965 6 kuvio 3 esittää teho-korkeus-käyrävertailun ennestään tunnetussa tekniikassa ja tässä keksinnössä, kuvio 4 esittää teho-korkeus-käyrävertailun ennestään tunnetussa tekniikassa ja tässä 5 keksinnössä, kuvio 5 esittää teho-korkeus-käyrävertailun ennestään tunnetussa tekniikassa ja tässä keksinnössä, 10 kuvio 6 on keksinnön periaatteen taajuus-aika-käyrä, kuvio 7 on monikäyräesitys keksinnöllä saaduista signaaleista,In the following, the invention will be described in detail with reference to exemplary embodiments and the accompanying figures, of which: Figure 1 shows a frequency-time-frequency curve of the principle of FMICW modulation, Figure 2 shows another frequency-time-curve of the principle of FMICW modulation. power-height curve comparison in the prior art and in the present invention, Fig. 4 shows a power-height curve comparison in the prior art and in this invention, Fig. 5 shows a power-height curve comparison in the prior art and in this invention, 7 is a multi-graph representation of the signals obtained by the invention,

Kuvio 8 on toinen monikäyräesitys keksinnöllä saaduista signaaleista.Fig. 8 is another multi-graph representation of the signals obtained by the invention.

1515

Ratkaisu ennestään tunnetun tekniikan tunnettuihin ongelmiin on käyttää taajuusmoduloi-tua katkottua jatkuvan aallon lähetystä (FMICW) moduloinnin parametrejä ohjaavan ta-kaisinkytkentäj äij estelmän kanssa.A solution to the known problems in the prior art is to use frequency modulated interrupt continuous wave transmission (FMICW) with a feedback control system controlling the modulation parameters.

20 FMICW-tutka käsittää tyypillisesti seuraavat vaiheet. Muodostetaan signaali, jonka taajuus muuttuu asetetulla kaistanleveydellä. Tätä signaalia portitetaan päälle ja pois ennalta määritellyllä taajuudella (fg), jolloin saadaan muodostetuksi on-aikarakoja ja off-aikarakoja. Tämä portitettu signaali lähetetään haluttuun kohteeseen lähettimen ja antennin avulla. Heijastunut tai takaisin sironnut signaali otetaan vastaan portitetun signaalin 25 oiF-aikarakojen aikana, ja halutut omainaisuudet vastaanotetusta signaalista ilmaistaan ja kerätään portitetun signaalin off-aikarakojen aikana.An FMICW radar typically comprises the following steps. A signal is generated whose frequency changes with the set bandwidth. This signal is ported on and off at a predetermined frequency (fg) to form on-time and off-time slots. This gated signal is transmitted to the desired destination by means of a transmitter and an antenna. The reflected or backscattered signal is received during 25 µF time slots of the gated signal, and the desired properties of the received signal are detected and collected during the off time slots of the gated signal.

FMICW-lähetystä kuvataan tässä käyttäen rajakerrostuuliprofiloijan parametrejä. Olkoon järjestelmän etäisyysresoluutio 150 metriä ja kiinnostava etäisyysalue tuosta 150 metristä 30 ylöspäin edullisesti 3000 metriin ja sen yläpuolelle. Muodostetaan sitten lineaarinen taa-juuspyyhkäisy, jonka pituus on 5 ms ja deviaatio 1 MHz. Taajuuspyyhkäisy kytketään 110965 7 lähettimeen ja lähetin pulssimoduloi signaalin muodostamalla 20 |is pitkiä pulsseja aina 20 |Lis välein. Kuvio 1 esittää tämän.The FMICW transmission is described herein using the parameters of the boundary layer profiler. Let the system have a distance resolution of 150 meters and an interesting distance range from that 150 meter 30 upwards to preferably 3000 meters and above. A linear frequency sweep of 5 ms and deviation of 1 MHz is then formed. The frequency sweep is coupled to 110965 7 transmitters and the transmitter pulses modulates the signal by generating 20 | long pulses every 20 | increments. Figure 1 illustrates this.

Kuviossa 1 on esitetty lähetetty signaali ja paluukaiut kolmelta korkeudelta: 1200, 3000 S ja 4200 metristä. Paluukaiku 1200 metristä on viivästynyt 8 jis lähetykseen nähden, ja paluukaiku 3000 metristä on viivästynyt 20 |is lähetykseen nähden. Paluukaiku 4200 metristä on viivästynyt 28 |is.Figure 1 shows the transmitted signal and return stacks at three heights: 1200, 3000 S and 4200 meters. The return echo of 1200 meters is delayed by 8 and the return echo of 3000 meters is delayed by 20. The return echo of 4200 meters is delayed by 28 | is.

FMICW-jäijestelmässä signaalin sallitaan mennä vastaanottimeen vain silloin, kun lähe-10 tystä ei ole käynnissä. Kantataajuussignaali muodostetaan sekoittamalla vastaanotettu signaali taajuuspyyhkäisyn ei-lähetysosiin. Sen tuloksena saadaan jäijestelmän kantataajuiset paluusignaalit kolmelta korkeudelta: 1200 metristä, 3000 metristä ja 4200 metristä. Paluusignaalit näistä korkeuksista on esitetty kuviossa 2.In the FMICW ice system, the signal is only allowed to enter the receiver when no transmission is in progress. The baseband signal is generated by mixing the received signal with the non-transmitting sections of the frequency sweep. As a result, baseband return signals from the ice system are obtained at three heights: 1200 meters, 3000 meters and 4200 meters. The return signals from these heights are shown in Figure 2.

15 Kuviossa 1 esitetty taajuuspyyhkäisy on jatkuva vaiheeltaan läpi koko 5 ms jakson. Kuviossa 2 esitetyissä osissa 1,6 kHz (vastaa 1200 metriä), 4,0 kHz (vastaa 3000 metriä) ja 5,6 kHz (vastaa 4200 metriä) signaaleista näkyy myös vaihe jatkuvana läpi koko taajuuspyyhkäisyn, kun 5 ms pyyhkäisy on ajaltaan paljon lyhyempi kuin tutkittavan tilavuuden sirottajien dekorrelaatioaika. Braggin sirottajien tyypillinen dekorrelaatioaika on kirk-20 kaassa ilmassa 0,1-1,0 sekuntia.The frequency sweep shown in Figure 1 is continuous in phase throughout the 5 ms period. In the sections shown in Figure 2, the 1.6 kHz (1200 m), 4.0 kHz (3000 m) and 5.6 kHz (4200 m) signals also show a phase continuous throughout the frequency sweep, with a 5 ms scan much shorter as the decorrelation time of the volume scatterers to be examined. Typical decorrelation times for Bragg scatterers are in the range of 0.1 to 1.0 seconds for Kirk-20 in air.

Kun paluusignaalit ovat vaihejatkuvia, kuvion 2 kunkin taajuuden kukin osa muodostaa siniaallon, joka on katkennut ajallisesti. Katkonaisella 1,6 kHz signaalilla on aikaa muodostaa 8 jaksoa katkottuja siniaaltoja 5 ms pyyhkäisyn aikana, 4 kHz signaalilla vastaa-25 vasti 20 jaksoa ja 5,6 kHz signaalilla 28 jaksoa. Nämä siniaallot tulevat summatuksi vas-taanottimessa, jolloin saadaan jännite, joka sisältää erilaisia katkonaisia, eri korkeuksiin liittyviä taajuuskomponentteja.When the return signals are phase continuous, each portion of each frequency of Figure 2 forms a sine wave which is interrupted in time. The intermittent 1.6 kHz signal has time to form 8 cycles of interrupted sine waves during a 5 ms scan, a 4 kHz signal corresponds to -25 corresponding to 20 cycles, and a 5.6 kHz signal generates 28 cycles. These sine waves are summed at the receiver, resulting in a voltage containing different intermittent frequency components associated with different heights.

Kun otetaan digitaalisia näytteitä vastaanottimen päällä olon aikana, saadaan muodoste-30 tuksi 125 pisteen saqa (jos otetaan ^ksi näyte jokaista RX-väliä kohti). Eri taajuudet tässä aikasaijassa erotetaan Fourier-analyysin avulla. Esimerkiksi 8., 20. ja 28. näyte tässä Fou- 110965 8 rier-muunnoksessa vastaa korkeuksia 1200, 3000 ja 4200 metriä. Jos vastaanotin on, kuten edullisessa tapauksessa on, sellainen, että se pystyy erottamaan nk. samavaihe- ja poi-kittaisvaihekomponentit kantataajuudella, vastaava Fourier-muunnos on kompleksinen ja annetussa esimerkissä saatavat taajuudet ovat negatiivisia.When digital samples are taken while the receiver is on, a 125-point saq is generated (if sampled for each RX interval). The different frequencies at this time are separated by Fourier analysis. For example, the 8th, 20th, and 28th samples in this Fou 110965 8 rier transform correspond to heights of 1200, 3000, and 4200 meters. If the receiver is, as in the preferred case, capable of separating the so-called in-phase and transverse-phase components at baseband, the corresponding Fourier transform is complex and the frequencies obtained in the given example are negative.

5 FMICW-moduloinnin käytön edut tuuliprofiloinnissa tulevat ilmeiseksi, jos tarkastelemme profiloijan keskimääräistä vastaanotettua tehoa. Kuten kuvio 2 esittää mittauksen aikana vastaanotettujen 1,6, 4,0 ja 5,6 kHz signaalien osat ovat vastaavasti 0,2, 0,5 ja 0,3 täyden mittauksen jaksosta. Alle 3000 metrin korkeuksilla siniaallon osa, joka on käyttö-10 kelpoinen Fourier-muunnoksessa, on suoraan verrannollinen korkeuteen. FMICW-moduloinnissa yhtälö 1 voidaan siten kirjoittaa muotoon:5 The benefits of using FMICW modulation in wind profiling become apparent if we look at the average power received by the profiler. As shown in Figure 2, the portions of the 1.6, 4.0 and 5.6 kHz signals received during measurement are respectively 0.2, 0.5 and 0.3 of the full measurement period. At altitudes less than 3000 meters, the portion of the sine wave that is usable in the Fourier transform is directly proportional to the altitude. Thus, in FMICW modulation, equation 1 can be written as:

Pr = C * Pt * r/ropt * iKrj/r2, missä r<ropt (yhtälö 2) 15 On huomattava, että tässä tapauksessa Pt on 50 % lähettimen huipputehosta, ja järjestelmän lähetyksen hyötyjakso on huomattavasti suurempi kuin pulssitetussa tai koodatussa pulssitetussa lähetysjäqestelmässä.Pr = C * Pt * r / ropt * iKrj / r2, where r <ropt (Equation 2) 15 Note that in this case, Pt is 50% of the peak transmitter power, and the system transmission payload is significantly higher than in a pulsed or coded pulsed transmission system.

On tärkeää huomata, että yhtälössä 2 vastaanotettu teho on verrannollinen l/r:ään ei 20 l/r^een. Täten FMICW-järjestelmän lähettämä teho hyödynnetään paremmin suurten etäisyyksien ilmaisuun kuin pulssitetussa järjestelmässä. Tämä kasvattaa FMICW-järjestelmän ilmaisurajaa ro- Edempänä kuin ropt vastanaotettu teho on:It is important to note that the power received in Equation 2 is proportional to l / r rather than 20 l / r. Thus, the power transmitted by the FMICW system is better utilized for detecting long distances than in a pulsed system. This increases the detection limit of the FMICW system.

Pr = C * Pt * (2-r/ropt) * T^rj/r2, missä r0pt<r<2*r0pt 25 Tältä etäisyysalueelta vastaanotettu teho pienenee jyrkästi korkeuden funktiona.Pr = C * Pt * (2-r / ropt) * T ^ rj / r2, where r0pt <r <2 * r0pt 25 The power received from this range is sharply reduced as a function of height.

On syytä kiinnittää huomiota siihen, että Fourier-prosessi, joka paljastaa signaalit eri korkeuksilta, on koherentti prosessi ja vastaa siten koherenttia integrointia, jota käytetään 30 passitetuissa profiloijissa.It should be noted that the Fourier process, which detects signals at different heights, is a coherent process and thus corresponds to the coherent integration used in pass-through profilers.

110965 9110965 9

Tarkastellaan nyt tuuliprofiloijaa, jonka tehovahvistin pystyy tuottamaan 1000 watin läh-töhuipputehon. tarkastellaan kolmen tyypin tuuliprofiloijia: yhtä, joka käyttää koodaamattomia pulsseja (tyypilliset arvot: 1 |is pulssi 40 ps pulssijaksolla), yhtä, joka käyttää koodattuja pulsseja (tyypilliset arvot: 6 baudin pulssit, 1 ps baudipituus ja 40 ps S pulssijakso) sekä FMICW-profiloijaa, joilla on tarkoitus havainnoida korkeuksia 3 kilometriin asti. Tarkastellaan nyt parametriä, joka kuvaa käyttökelpoisen tehon, jonka tuuliprofiloija pystyy lähettämään, korkeuden funktiona. Tämä parametri kuvaa järjestelmän kyvykkyyden ilmaista ilmakehän ilmiön etäisyyden funktiona. Todellinen ilmakehän sirontatiheys ja antenniin liittyvät seikat poistetaan parametristä. Järjestelmän 10 tehovahvistimen ja moduloinnin ominaispiirteet säilytetään parametrissä. Parametri voidaan kirjoittaa muotoon Pt/r2 passitetulle järjestelmälle ja muotoon Pt/(r*ropt) FCIMW-järjestelmälle. Oikeaa arvoa Pt, joka käsittää hyötyjakson, on käytettävä kullekin järjestelmälle.Let's now look at a wind profiler whose power amplifier is capable of producing 1000 watts of peak output power. consider three types of wind profilers: one that uses uncoded pulses (typical values: 1 | pulse with 40 ps pulse cycle), one that uses coded pulses (typical values: 6 baud pulses, 1 ps baud, and 40 ps S pulse) and FMICW- profilers who are supposed to track altitudes up to 3 kilometers. Let us now consider a parameter that describes the usable power that a wind profiler can transmit as a function of height. This parameter describes the system's ability to express atmospheric phenomenon as a function of distance. The actual atmospheric scattering density and antenna considerations are removed from the parameter. The power amplifier and modulation characteristics of the system 10 are maintained in the parameter. The parameter can be written to Pt / r2 for a transit system and to Pt / (r * ropt) for the FCIMW system. The correct value Pt, which includes the utility period, must be used for each system.

Kuviossa 3 käyrä 1 vastaa passitettua tuuliprofiloijaa, käyrä 2 vastaa koodattua pulssitet-15 tua tuuliprofiloijaa ja käyrä 3 FMICW-tuuliprofiloijaa. Käyrä 2 alkaa 900 metristä, mikä ilmaisee sen seikan, että lähettimen teho voidaan hyödyntää täysin vasta tältä korkeudelta pulssidekoodauksen takia.In Fig. 3, curve 1 corresponds to a pass-through wind profile, curve 2 corresponds to an encoded pulsed-15 wind profile, and curve 3 corresponds to an FMICW wind profile. Curve 2 starts at 900 meters, indicating that transmitter power can only be fully utilized at this height due to pulse decoding.

Kuvioon 3 korkeuden funktiona tulostettu arvo on keskimääräinen teho resoluutiosolussa 20 jaettuna etäisyyden neliöllä. Arvo on normalisoitu sillä tavalla, että se yhtenee keskimääräisen tehon kanssa yhden kilometrin korkeudella.3, the value printed as a function of height is the average power in the resolution cell 20 divided by the square of the distance. The value is normalized so that it matches the average power at one kilometer altitude.

Tarkastellaan nyt havainnollista esimerkkiä. Oletetaan sirontatiheydellä η(τ) on vakioarvo ilmakehän alakilometreillä, ja vakioarvo on sellainen, että tarvitaan 100 W keskimääräi-25 nen teho signaalin havaitsemiseksi 1 km korkeudelta. Kuviosta 3 voidaan nähdä, että tällaisissa olosuhteissa pulssitettu tuuliprofiloija, koodattu pulssitettu tuuliprofiloija ja . ** FMICW-tuuliprofiloija ilmaisevat ilmakehäsignaalin vastaavassa järjestyksessä korkeuk siin 500, 1200 ja 1650 metriä asti. Koska käyttäjä oli kiinnostunut tuuliprofiilista 150 yläpuolella ja edullisesti 3000 metriin asti, hän asettaa järjestelmän suorittamaan ilmaisun 30 suurimmalla keskimääräisellä teholla 3 km korkeudessa. Tässä tapauksessa rajallinen sirottajatiheys rajaa ilmaisun enintään edellä mainittuihin korkeuksiin.Let us now look at an illustrative example. Suppose the scattering density η (τ) is a standard value at atmospheric lower kilometers and a standard value such that 100 W average power is required to detect the signal at a height of 1 km. It can be seen from Figure 3 that under these conditions a pulsed wind profiler, coded pulsed wind profiler and. ** The FMICW wind profiler detects the atmospheric signal in heights of 500, 1200 and 1650 meters, respectively. Because the user was interested in the wind profile above 150, and preferably up to 3000 meters, he sets the system to perform detection at 30 maximum average power at 3 km. In this case, the limited scattering density limits the expression to a maximum of the above-mentioned heights.

110965 10 Käyttäjä havaitsee nyt ilmakehän paluutehon korkeuden funktiona. Koska ilmakehäsig-naali puuttuu yli 1650 metrin korkeudelta, voidaan päätellä, että keskimääräinen teho ei ollut riittävä tuottamaan signaalia vallitsevalla r|(r):llä. Nyt kyseessä olevan keksinnön 5 mukainen järjestelmä asettaa uudet pulssiparametrit ilmaistun profiilin perusteella. Järjestelmä tekee nyt asetukset, joilla lähetetään 11 ps pulsseja 11 ps tauoin tutkan valaisutehon maksimoimiseksi korkeudella, jossa signaali katoaa. Sen tuloksena keskimääräinen valaisuteho muuttuu vastaamaan tilannetta kuviossa 4. Ensimmäinen valaisutehoasetus on esitetty käyrällä 3 ja uusi asetus käyrällä 4.110965 10 The user now detects atmospheric return as a function of altitude. Since the atmospheric signal is absent at an altitude of more than 1650 meters, it can be concluded that the average power was not sufficient to produce a signal at the prevailing r | (r). The system of the present invention 5 sets new pulse parameters based on the detected profile. The system now makes settings to send 11 ps pulses at 11 ps intervals to maximize radar illumination at the height at which the signal is lost. As a result, the average illumination power changes to correspond to the situation in Fig. 4.

1010

Kuten voidaan nähdä kuviosta 4, FMICW-järjestelmä pystyy nyt ilmaisemaan ilmake-häsignaalin korkeuteen 2000 m asti. Tuuliprofiloijan signaalin käyttökelpoisuus paranee siten. Parannus saadaan aikaiseksi 2,1 ja 4,2 kilometrin välisen korkeuden ilmaisutehon kustannuksella, mutta koska signaalia ei voitu havaita näiltä korkeuksilta ensimmäisellä 15 asetuksella, signaalin käyttökelpoisuudessa ei tapahdu menetystä ensimmäiseen asetukseen verrattuna.As can be seen in Figure 4, the FMICW system can now detect an atmospheric noise signal up to 2000 m. The usability of the wind profiler signal is thus improved. The improvement is effected at the expense of the altitude detection power of 2.1 to 4.2 kilometers, but since the signal could not be detected at these altitudes at the first 15 settings, there is no loss of signal usability compared to the first setting.

Kolmannessa vaiheessa järjestelmä ilmaisee signaalin korkeuteen 2000 m asti. Tämä vastaa 13,3 [is viivettä. Järjestelmä voi nyt asettaa ajoitusparametrit 14 ps:iin, jotta saataisiin 20 tuotetuksi valaisuprofiili, joka sopii paremmin korkeusalueelle, josta signaali oli ilmaista-, vissa. Kuvio 5 esittää uuden modulointiasetuksen käyrällä 5.In the third stage, the system detects a signal up to 2000 m. This corresponds to a delay of 13.3. The system can now set the timing parameters to 14 ps in order to produce an illumination profile that is better suited to the height range from which the signal was detectable. Fig. 5 shows a new modulation setting by curve 5.

FMICW-profiloija pystyy nyt ilmaisemaan ilmakehäsignaalin korkeuteen 2200 metriä asti, joka on selvästi enemmän kuin alkuperäinen 1650 metriin ulottuva suorituskyky.The FMICW profiler can now detect an atmospheric signal up to 2200 meters, which is far more than the original 1650 meters performance.

2525

Yllä kuvattu esimerkki antaa karkean esimerkin siitä, kuinka FMICW-parametrien takaisinkytkentä voidaan toteuttaa. Muut menetelmät, kuten sellainen, että lasketaan suurin saavutettavissa oleva korkeus ensimmäisestä profiilista T|(r):n mallin perusteella, kuuluu osana keksintöön. Pulssiparametrejä ei välttämättä voida asettaa portaattomasti, mutta voi 30 olla olemassa joukko moodeja, joista järjestelmä pystyy valitsemaan kulloinkin vallitsevissa olosuhteissa. Tämä myös kuuluu osana tähän keksintöön.The above example gives a rough example of how the FMICW parameter feedback can be implemented. Other methods, such as calculating the maximum achievable height from the first profile based on the T 1 (r) model, are part of the invention. The pulse parameters may not be set steplessly, but there may be a number of modes from which the system can select under the prevailing conditions. This is also part of this invention.

π 110965π 110965

Keksinnön yhtenä tärkeänä sovelluksena on sellainen, että takaisinkytkentä on jatkuvasti kytkettynä päälle. Tällaisessa tapauksessa jäijestelmä päivittää FMICW-moduloinnin , parametrejä jatkuvasti maksimaalisen informaation tuottamiseksi parhaillaan vallitsevas- 5 ta geofysikaalisesta tilanteesta.One important embodiment of the invention is that the feedback is continuously switched on. In such a case, the rigid system updates the FMICW modulation parameters continuously to provide maximum information about the current geophysical situation.

Keksintöä voidaan käyttää muodossa, jossa lähetyksen hyötyjakso on alle 50 %. Tässä tapauksessa valaisukäyrä koostuu kolmesta osasta, yhdestä jolla on 1/r-riippuvuus, toisesta, jolla on 1/^-riippuvuus, ja kolmannesta, jolla on jyrkkä riippuvuus (suurin piirtein 10 1/r3).The invention may be used in a form where the transmission period of the transmission is less than 50%. In this case, the illumination curve consists of three parts, one with a 1 / r dependence, another with a 1 / r dependence, and a third with a sharp dependence (approximately 10 l / r 3).

Seuraavassa kuvataan keksinnön yhtä edullista suoritusmuotoa kuvioon 6 viitaten.A preferred embodiment of the invention will now be described with reference to Figure 6.

Kim nyt on otettu yksi näyte pulssia kohti, vastaanottojakson yli tapahtuneen integroinnin 15 jälkeen kukin taajuuskomponentti integroinnin jälkeisessä signaalissa sisältää signaa-liosuuden ja kohinaosuuden. Signaaliosuus muodostuu integroidusta jännitteestä kuviossa 6 esitetyn kunkin käyrän kestoajan yli. Kyseisen taajuuslokeron kohinaosuus vastaa kuitenkin integrointia yli koko 20 jis jakson. Vaikka signaaliosuus pysyy koherenttina useiden pulssien yli, kohinaosuus ei tee sitä, ja kohinalla on täten haitallinen vaikutus signaa-20 liin sillä tavalla, että se sotkee todellisen halutun signaalin vaihetta ja jännitettä.Kim has now sampled one pulse, after integration over a reception period, each frequency component in the post-integration signal contains a signal portion and a noise portion. The signal portion consists of the integrated voltage over the duration of each curve shown in Fig. 6. However, the noise portion of this frequency compartment corresponds to integration over a full 20 µc period. Although the signal portion remains coherent over multiple pulses, the noise portion does not, and thus the noise has a detrimental effect on the signal in such a way that it interferes with the phase and voltage of the actual desired signal.

Tarkastellaan nyt yhtä jatkuvaa 5 ms:n pyyhkäisyä ja vastaavaa lähtöä FMICW-vastaanottimesta. Olkoon nyt olemassa kohde, joko erillinen tai tilavuussirottaja, etäisyydelle 1200 m, mikä vastaa 1,6 kHz:n signaalia kuvioissa 2 ja 3. Jos meillä on vastaanotin, 25 jonka kaistanleveys 1 Mhz, joka on sovitettu kaistanleveysarvo lähetetyn aaltomuodon suhteen, saamme täydellisen esityksen signaalista 1 MHz:n kvadratuurinäytteityksellä kantataajuudella. Emme ota huomioon vastaanottimen ketjutettujen suodattimien siirty-mäkaistojen äärellisen jyrkkyyden vaikutusta tai laskostumisilmiötä siellä. Käytännön . laitteessa, kun nämä ilmiöt otetaan huomioon, näytteityskaistanleveydeksi voitaisiin vali- 30 ta suurempi kuin 1 MHz. Se ei kuitenkaan muuta tilannetta olennaisesti - tuossakin tapa- uksessa sama ajan osa integroitaisiin digitaalisesti kuten näissäkin esimerkeissä. Tuolloin integroitavia näytteitä olisi kuitenkin enemmän kutakin tapausta kohti.Let us now consider one continuous 5 ms sweep and the corresponding output from the FMICW receiver. Let there now be an object, either discrete or volume scatterer, at a distance of 1200 m, which corresponds to a 1.6 kHz signal in Figures 2 and 3. If we have a receiver 25 with a bandwidth of 1 Mhz, a matched bandwidth value for the transmitted waveform, signal at 1 MHz quadrature sampling at baseband. We do not consider the effect of the finite steepness of the transition bands of the receiver's concatenated filters or the folding effect there. Practical. in the device, taking into account these phenomena, a sampling bandwidth greater than 1 MHz could be selected. However, this does not change the situation substantially - in this case the same part of the time would be digitally integrated as in these examples. At that time, however, there would be more samples to be integrated per case.

12 11096512 110965

Kuviossa 7 ylimmäinen tulosterivi esittää aika-alueen signaalin (simuloidusta) kohteesta 5 1200 metrissä ja lisäksi kohinan. Oikean puoleinen tuloste esittää tuloksen, kun käytetään 5000 pisteen nopeaa Fourier-muunnosta eri taajuuskomponenttien - ja saman aikaisesti etäisyyksien - saamiseksi esiin signaalista. Tällä menetelmällä kohteen signaali-kohinasuhde on 15,9 dB niitattuna yli 200 Hz:n kaistanleveyden. Se ilmenee 1,6 KHz kantataa-juudella 8. taajuuslokeron kohdalla, mikä vastaa 8. korkeuslokeroa 1200 metriä. Signaali 10 koostuu 20 nollasta, mikä vastaa lähetysaikaa, jonka aikana vastaanotin on mykistetty, ja sitä seuraa 20 näytettä signaalista ja kohinasta, ja sitä seuraa 20 nollaa jne. (ks. kuvio 8). Aikayksikkö kuvion 7 vasemmassa sarakkeessa on 1 ps, ja taajuusyksikkö oikeanpuoleisessa sarakkeessa on 1 MHz. Tässä selostuksessa oletetaan, että mykistys saadaan aikaan laitteiston digitaalisissa osissa, mikä mahdollistaa lähetysajan signaalin täydellisen nol-15 laamisen. On huomattava, että 1 MHz:n kaistanleveys on suurempi kuin pulssintoistotaa-juus 25 kHz, mikä aiheuttaa signaalin kopiot +25 kHz:n päässä keskitaajuuksista.In Figure 7, the top result line shows the time-domain signal (simulated) of the object at 5,200 meters, plus noise. The right-hand output shows the result of using a 5000-point high-speed Fourier transform to bring out different frequency components - and simultaneously distances - from the signal. By this method, the signal-to-noise ratio of the target is 15.9 dB when riveted to a bandwidth greater than 200 Hz. It occurs at 1.6 KHz carrier band at the 8th frequency compartment, which corresponds to the 8th height compartment at 1200 meters. Signal 10 consists of 20 zeros, which corresponds to the transmission time during which the receiver is muted, followed by 20 samples of signal and noise, followed by 20 zeros, etc. (see Figure 8). The time unit in the left column of Fig. 7 is 1 ps, and the Frequency unit in the right column is 1 MHz. In this specification, it is assumed that the mute is achieved in the digital parts of the equipment, which allows for a complete null-15 of the transmission time signal. It should be noted that the 1 MHz bandwidth is greater than the 25 kHz pulse repetition rate, which causes copies of the signal to be + 25 kHz off center frequencies.

Kuviossa 7 keskimmäinen tulosterivi esittää vaikutukset, joita syntyy, kun käytetään yli 20 ps jakson, täyden vastaanottoajan, tapahtuvaa integrointia ja 125 pisteen nopeaa Fou-20 rier-muunnosta signaalin eri alueiden komponenttien saamiseksi esiin. Fourier-muunnoksen pituutta pienennettiin ilman huononnusta signaali-kohina-suhteessa, joka on nyt 15,7 dB. Pulssivaikutus ei näy enää, pienentyneen Nyquist-taajuuden ansiosta kanta-taajuudella. Integrointi on toteutettu summaamalla arvot kultakin vastaanottojaksolta, jolloin tuloksena saadaan suuremmat jänniteamplitudit. On huomionarvoista, että tässä 25 tutkittava signaali, 1200 metriltä, vastaa pyörivää osoitinta, joka kääntyy alle 5 astetta yhden vastaanottojakson aikana. Täten on mahdollista summata kaikki näytteet vastaanottojaksolta, ilman että signaalijännite pienenisi huomattavasti pyörivien osoittimien summaamisen takia.In Fig. 7, the middle output row shows the effects of using over 20 ps cycle, full reception, integration, and 125-point fast Fou-20 rier conversion to reveal components of different signal areas. The length of the Fourier transform was reduced without degradation in the signal-to-noise ratio, which is now 15.7 dB. The pulse effect is no longer visible due to the reduced Nyquist frequency at the base frequency. The integration is accomplished by summing the values from each receiving period, resulting in higher voltage amplitudes. It is noteworthy that here, the 25 signals to be examined, at 1200 meters, correspond to a rotating pointer which rotates less than 5 degrees during one reception period. Thus, it is possible to sum up all samples from the receiving period without significantly reducing the signal voltage due to the addition of rotating indicators.

30 Kahta ylintä riviä kuvioissa 7 ja 8 voidaan pitää ennestään tunnettuun tekniikkaan sisältyvinä. Kuvion 7 viimeisin rivi esittää tämän keksinnön mukaisesti tapahtuvan integroin- n 110965- nin vaikutukset. Tässä tapauksessa diskreettiä Fourier-muunnosta, joka voidaan toteuttaa myös käyttämällä vain yhtä nopean Fourier muunnoksen lähtökomponenteista. käytetään 1200 metrin aluetta vastaavan taajuuskomponentin saamiseksi esiin. Erona on se, että sen , sijaan että käytettäisiin täyden vastaanottoajan integroitua signaalia, nyt käytetään integ- 5 roitua signaalia, jolla integrointiaika on sovitettu kaksisuuntaiseen viiveeseen lähetyksen ja mainitun kohteen kaiun vastaanoton välillä. Tässä tapauksessa integroidaan vain 8 ensimmäistä näytettä kunkin vastaanottojakson aikana, jolloin saadaan tuotetuksi viimeisen rivin vasemmanpuoleinen aikasarja. Kahdeksan näytteen integrointi valittiin tätä diskreettiä Fourier-muunnosta (DFT) varten, koska sillä saadaan sovitetuksi yhteen vastaanotto-10 jakson alkuhetki kohteesta sironneeseen signaaliin. Tämä voidaan nähdä kuviosta 6: siinä vain ensimmäiset 8 mikrosekuntia vastaanottojaksosta sisältävät sironneen signaalin 1200 metrin etäisyydellä olevasta kohteesta. Kohinan määrä tässä aikasaijassa on pienempi kuin kohina aiemmissa aikasaloissa, koska viimeiset 12 näytettä on jätetty pois integroinnista, ja kohina näissä näytteissä ei myötävaikuta 8 pisteen integraattorin lähtöön.The top two rows of Figures 7 and 8 can be considered as being included in the prior art. The last line of Figure 7 illustrates the effects of the integration 110965 of the present invention. In this case, a discrete Fourier transform that can also be implemented using only one of the fast Fourier transform output components. is used to display a frequency component of 1200 meters. The difference is that instead of using a full receive time integrated signal, an integrated signal is now used to match the integration time with the bidirectional delay between transmission and echo reception of said destination. In this case, only the first 8 samples are integrated during each reception period to produce the left-hand time series of the last row. The integration of the eight samples was chosen for this discrete Fourier transform (DFT) because it aligns the start of the reception-10 period with the signal scattered from the subject. This can be seen in Figure 6: only the first 8 microseconds of the reception period contain a scattered signal at a distance of 1200 meters. The amount of noise in this time slot is less than the noise in previous time slots because the last 12 samples have been omitted from integration, and the noise in these samples does not contribute to the output of the 8-point integrator.

15 Signaali itse säilyy muuttumattomana, koska kaikkea tältä alueelta saatava informaatiota on käytetty, kuten on esitetty kuviossa 6. Osittaisen vastaanottoajan integroinnista johtuva signaali-kohina-suhde on tässä esimerkkitapauksessa 19,5 dB, 3,8 dB suurempi kuin signaali-kohina-suhde täyden vastaanottojakson integroinnissa.The signal itself remains unchanged since all information from this area is used as shown in Figure 6. In this example, the signal-to-noise ratio due to the integration of the partial reception time is 19.5 dB, 3.8 dB higher than the signal-to-noise ratio. reception period integration.

20 Tässä kuvattu keksinnön olemus on se, että konstruoidaan useita digitaalisia integraattoreita, edullisesti koostamalla summaa jatkuvasti ja käytetään eri integrointiaikaa kullekin alueelle. Esimerkiksi 150 metrin alue voitaisiin ilmaista täten käyttämällä yksipisteistä integrointia, eli ensimmäistä näytettä kustakin vastaanottojaksosta yhdessä DFT:n kanssa, joka selvittää ensimmäisen nollasta poikkeavan taajuuden 125 pisteen aikasaijasta, joka 25 käsittää mainittuja ensimmäisiä näytteitä. 300 metrin alue ilmaistaisiin käyttämällä 2 pisteen integrointia, eli ensimmäistä kahta näytettä summattuna, kustakin vastaanottojaksosta, ja viemällä saatava 125 pisteen aikasaija DFT:een, joka selvittää toisen nollasta poikkeavan taajuuskomponentin 125 pisteen aikasarjasta. Tätä menettelyä jatketaan puls-sisovitettuun korkeuteen asti, tässä tapauksessa 3000 metriin, jolle käytetään täyttä 20 30 pisteen integrointitulosta ja jolle DFT selvittää 20. nollasta poikkeavan taajuuskomponentin.The essence of the invention described herein is that a plurality of digital integrators are constructed, preferably by continuously summing and using different integration times for each region. For example, an area of 150 meters could thus be detected using single point integration, i.e., a first sample of each receiving period in conjunction with a DFT that detects a first non-zero frequency from a 125-point time interval comprising said first samples. The 300-meter range would be detected using 2-point integration, i.e., the first two samples summed, from each receiving period, and exporting the resulting 125-point time to DFT, which extracts the second non-zero frequency component from the 125-point time series. This procedure is continued up to pulse-matched altitude, in this case 3000 meters, for which a full 20 30-point integration result is used and for which the DFT determines the 20 non-zero frequency component.

14 11096514 110965

Yli 3000 metrin korkeuksille käytetään vain vastaanottojakson loppuosaa integroinnissa kaiken signaali-informaation saamiseksi ja taajuuskomponenttia vastaavan kohinamäärän minimoimiseksi. Esimerkiksi kuviossa 2-3 esitetylle 4200 metrin signaalille käytetään 5 kunkin 1 MHz:llä näytteitetyn 20 fis kestävän vastaanottojakson viimeisiä 12 näytettä niin, että DFT tuo esiin 28. nollasta poikkeavan taajuuskomponentin.For altitudes above 3000 meters, only the remainder of the reception period is used for integration to obtain all signal information and to minimize the amount of noise corresponding to the frequency component. For example, for the 4200-meter signal shown in Figure 2-3, 5 of the last 12 samples of each 20 fis-long reception period sampled at 1 MHz are used, with the DFT displaying a 28th frequency component.

Nyt kyseessä olevan keksinnön yksi edullinen suoritusmuoto olisi käyttää DSP- tai FPGA-jäqestelmää aluekohtaisten signaalien laskemiseksi käyttäen kumulatiivisen sum-10 man rekisteriä riittävän suurella taajuudella lähetetyn aaltomuodon selvittämiseksi ja kertoen mainitun rekisterin sisältö kompleksisilla painotuksilla, jotka vastaavat DFT-kerrointa kyseiselle pulssille ja alueelle. Kertomisen tuloksena saataisiin tulo toiseen kompleksiseen summarekisteriin kunkin alueen osalta, ja näiden rekisterien sisältö luettaisiin kunkin pyyhkäisyn päätteeksi. Nämä arvot ovat kompleksisia jännitteitä, jotka 15 vastaavat kyseisen pyyhkäisyn osalta kutakin korkeutta. DFT-rekisterit luetaan ja nollataan kunkin pyyhkäisyn lopussa, ja integraattorirekisterit nollataan kunkin vastaanotto-jakson alussa.One preferred embodiment of the present invention would be to use a DSP or FPGA system to compute area-specific signals using a cumulative sum-10 register to determine the waveform transmitted at a sufficiently high frequency and multiplying the contents of said register by complex weights corresponding to the DFT coefficient for that pulse. The multiplication would result in an input to another complex summary register for each region, and the contents of those registers would be read at the end of each sweep. These values are complex voltages corresponding to each height for that sweep. The DFT registers are read and reset at the end of each sweep, and the integrator registers are reset at the beginning of each receive cycle.

Keksinnön piiriin kuuluu se, että yhden pulssinvastaanottojakson aikaisten kaikkien näyt-20 teiden digitaalisen summauksen sijasta käytetään DFT:tä aluesovitettuun osajoukkoon alkuperäistä 1 MHz:n näytteistä. Tämä on hyödyllistä tapauksissa, joissa kohteet ilmaistaan alueilta, jotka ovat pyyhkäisytoistojakson mukaisia. Tässä asiakirjassa esitetyssä esimerkinomaisessa tapauksessa esimerkiksi useiden satojen kilometrien päässä olevat kohteet tulisivat vaimennetuksi, jos käytettäisiin summausintegraattoria. Tämä johtuu 25 siitä, että summataan pyörivän osoittimen kompleksisia jännitteitä yli ajan, jolla osoitin pyörii oleellisesti. Kun kyseessä siis ovat kohteet, jotka ovat hyvin kaukana tutkasta, *- edullinen menetelmä on käyttää sopivia osajoukkoja alkuperäisistä näytteistä tulona pit kään DFT:hen. Näissä tapauksissa digitaalisten näytteiden summaus johtaisi signaalin amplitudin menettämiseen jossakin määrin, mikä johtuu oleellisesti pyörivän osoittimen 30 summaamisesta.It is within the scope of the invention that DFT is used in place of a digital summation of all samples during a single pulse reception period on a region-matched subset of the original 1 MHz samples. This is useful when objects are detected in areas that are within the sweep repetition period. In the exemplary case presented in this document, for example, objects hundreds of kilometers away would be suppressed if a sum integrator was used. This is because the complex voltages of the rotating pointer are summed over the time at which the pointer rotates substantially. So, for objects that are very far from the radar, * - the preferred method is to use suitable subsets of the original samples as input to the long DFT. In these cases, the summing of the digital samples would result in some loss of signal amplitude due essentially to the summing of the rotating pointer 30.

15 11096515 110965

Kuviota 7 vastaavassa esimerkissä ilmaisun parannuksen määrä, 3,8 dB, johtuu siitä seikasta, että ilmaistava kohde säilyy jotakuinkin koherenttina 5 ms pyyhkäisyjakson ajan, kun taas kohina on täysin epäkoherenttia, eli sillä ei ole mitään vaihekorrelaatiota näytteiden välillä. Kohinateho on siten summautuvaa vastaanottojakson aikana, ja edullisessa 5 integrointimenetelmässä otetaan vastaan 8/20 kohinatehosta täyden integroinnin 20/20 sijasta. Kerroin 8/20 vastaa 4,0 desibeliä, joka on jotakuinkin yhtä pitävä simuloidun tuloksen kanssa.In the example corresponding to Fig. 7, the amount of detection enhancement, 3.8 dB, is due to the fact that the target being detected remains somewhat coherent for a 5 ms scan period, while the noise is completely incoherent, i.e. has no phase correlation between samples. The noise power is thus additive during the reception period, and the preferred 5 integration methods receive 8/20 of the noise power instead of 20/20 of full integration. The factor 8/20 corresponds to 4.0 decibels, which is somewhat consistent with the simulated result.

Pulssien vastaanoton aikaisen osittaisen integroinnin havainnollistamiseksi paremmin 10 kuvio 8 esittää sumennettuna kuvion 7 tulosteet.To better illustrate the partial integration during pulse reception, FIG. 8 shows blurry prints of FIG. 7.

Kuviossa 8 toisen rivin data on saatu summaamalla ylimmän tulosteen signaalin 20 pistettä vastaanottojaksoa kohti. Viimeisellä rivillä oleva data on saatu summaamalla 8 pistettä vastaanottojaksoa kohti, mikä antaa tuloksena vähemmän kohinaa. Samanlaista πιει 5 nettelyä käytetään kaikille korkeuksille erikseen.In Fig. 8, the data in the second row is obtained by summing 20 points of the top output signal per reception period. The data in the last line is obtained by summing 8 points per reception period, which results in less noise. A similar πιει 5 procedure is used for all heights separately.

Vaikka portmnuksen tyypillinen hyötyjakso on 50 %, keksinnön mukaisesti hyötyjakso voi vaihdella välillä 10-90 %.Although the typical utility period for porting is 50%, according to the invention, the utility period can range from 10% to 90%.

20 • c • « «20 • c • ««

Claims (10)

1. Förfarande for användning av en frekvensmodulerad avbruten kontinuerlig vägs (FMICW) radarsignal, vilket förfarande omfattar följande steg: - en signal, vars frekvens ändras pa en bestämd bandbredd (B), genereras, 5. signalen grindstyrs firän och tili medelst en förutbestämd frekvens (fg), varvid det bildas on-tidsintervall och off-tidsintervall, - den grindstyrda signalen sänds tili ett önskat mäl med hjälp av en sändare och en an-tenn, - en reflekterad eller äterspridd signal mottas under den grindstyrda signalens off-10 tidsintervall, och - önskade egenskaper detekteras och insamlas fran den mottagna signalen, kännetecknat av att - grindfrekvensen (fg) ändras för maximering av den genomsnittliga signaleffekten pä ett önskat avstand frän antennen. 15A method for using a frequency modulated interrupted continuous path (FMICW) radar signal, which method comprises the following steps: - a signal whose frequency is changed at a specified bandwidth (B) is generated; (fg), forming on-time intervals and off-time intervals, - the gate controlled signal is sent to a desired message by means of a transmitter and an antenna, - a reflected or scattered signal is received during the off-time interval of the gate controlled signal. , and - the desired characteristics are detected and collected from the received signal, characterized in that - the gate frequency (fg) is changed to maximize the average signal power at a desired distance from the antenna. 15 2. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat av att nyttoperioden, som är ett resultat av grindoperationen, uppgär tili ca 50 %.A method according to claim 1, characterized in that the useful period, which is a result of the gate operation, amounts to about 50%. 3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknat av att grindfrekvensen uppgär tili • ca 5 % av bandbredden (B).Method according to Claim 1 or 2, characterized in that the gate frequency is up to about 5% of the bandwidth (B). 4. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2 eller 3, kännetecknat av att grindfrekvensen 20 varieras inom ett omräde mellan 1 och 50 % av bandbredden (B). i9 110965Method according to claim 1 or 2 or 3, characterized in that the gate frequency 20 is varied within a range between 1 and 50% of the bandwidth (B). i9 110965 5. Förfarande enligt nägot av de foregäende patentkraven, kännetecknat av att ändringen av grindfrekvensen (fg) utförs stegvis.Method according to any of the preceding claims, characterized in that the change in gate frequency (fg) is carried out in stages. 6. Förfarande enligt nägot av de foregäende patentkraven, kännetecknat av att ändringen av grindfrekvensen (fg) utfors pä ett kontinuerligt sätt. 5Method according to any of the preceding claims, characterized in that the change of the gate frequency (fg) is carried out in a continuous manner. 5 7. Förfarande enligt nägot av de foregäende patentkraven, kännetecknat av att en önskad del av off-tidsintervallet detekteras och/eller behandlas för att erhälla information frän ett önskat avständ och för att minimera bruset frän signalen relaterad tili det önskade avstän-det.Method according to any of the preceding claims, characterized in that a desired portion of the off-time interval is detected and / or processed to obtain information from a desired distance and to minimize the noise from the signal related to the desired distance. 8. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat av att endast början av off-10 tidsintervallet behandlas.Method according to claim 1, characterized in that only the beginning of the off-time interval is processed. 9. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat av att endast slutet av off-tidsintervallet behandlas.Method according to claim 1, characterized in that only the end of the off-time interval is processed. 10. Förfarande enligt nägot av de foregäende patentkraven, kännetecknat av att förfa-randet används för geofysikalisk fjärranalys. 15 ·Method according to any of the preceding claims, characterized in that the method is used for geophysical remote analysis. 15 ·
FI20012273A 2001-11-21 2001-11-21 Method for using Frequency Modulated Frequency Modulated Continuous Wave Radar (FMICW) signal in geophysical remote sensing FI110965B (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20012273A FI110965B (en) 2001-11-21 2001-11-21 Method for using Frequency Modulated Frequency Modulated Continuous Wave Radar (FMICW) signal in geophysical remote sensing
AU2002338985A AU2002338985A1 (en) 2001-11-21 2002-11-13 A method for using a frequency modulated interrupted continuous wave (fmicw) radar signal for geophysical remote sensing
PCT/FI2002/000899 WO2003044559A1 (en) 2001-11-21 2002-11-13 A method for using a frequency modulated interrupted continuous wave (fmicw) radar signal for geophysical remote sensing

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI20012273A FI110965B (en) 2001-11-21 2001-11-21 Method for using Frequency Modulated Frequency Modulated Continuous Wave Radar (FMICW) signal in geophysical remote sensing
FI20012273 2001-11-21

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FI20012273A0 FI20012273A0 (en) 2001-11-21
FI110965B true FI110965B (en) 2003-04-30

Family

ID=8562311

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI20012273A FI110965B (en) 2001-11-21 2001-11-21 Method for using Frequency Modulated Frequency Modulated Continuous Wave Radar (FMICW) signal in geophysical remote sensing

Country Status (3)

Country Link
AU (1) AU2002338985A1 (en)
FI (1) FI110965B (en)
WO (1) WO2003044559A1 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1777549B1 (en) 2005-10-24 2012-10-03 Mitsubishi Electric Information Technology Centre Europe B.V. Object ranging
ES2298081B2 (en) * 2006-12-05 2008-10-16 Universidad Politecnica De Madrid VARIABLE FREQUENCY ANTENNA SWITCHING TECHNIQUE FOR CONTINUOUS WAVE RADARS WITH A SINGLE ANTENNA.
EP2000810B1 (en) 2007-06-07 2013-09-04 Mitsubishi Electric Information Technology Centre Europe B.V. Determination of sine wave period
DE102014015311A1 (en) 2014-10-16 2016-04-21 Metek Meteorologische Messtechnik Gmbh cloud radar
CN109884641A (en) * 2019-03-06 2019-06-14 南京微麦科斯电子科技有限责任公司 A kind of millimeter wave cloud radar based on FM interrupt continuous wave

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2982956A (en) * 1956-09-10 1961-05-02 Lab For Electronics Inc Radar system
GB1054455A (en) * 1964-02-25
US3334344A (en) * 1965-09-20 1967-08-01 Lab For Electronics Inc Doppler radar altimeter
DE19754720C2 (en) * 1997-12-10 2000-12-07 Adc Automotive Dist Control Method for operating a radar system
JP3946852B2 (en) * 1998-02-20 2007-07-18 三菱電機株式会社 Radar apparatus and target relative distance / relative speed search method in this radar apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
AU2002338985A1 (en) 2003-06-10
FI20012273A0 (en) 2001-11-21
WO2003044559A1 (en) 2003-05-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8730093B2 (en) MFPW radar level gauging with distance approximation
US9513153B2 (en) Radar level gauging using frequency modulated pulsed wave
US8872694B2 (en) Radar level gauging using frequency modulated pulsed wave
CN104246534B (en) Method and apparatus for determining the spacing and radial velocity of object by radar signal
US8179521B2 (en) Measurement of speed or vibration characteristics using a LIDAR device with heterodyne detection
CN102798866B (en) Laser radar system and compound distance-measuring and speed-measuring method adopting sine-wave amplitude modulation and phase pulse code modulation of same
US7342651B1 (en) Time modulated doublet coherent laser radar
US9075138B2 (en) Efficient pulse Doppler radar with no blind ranges, range ambiguities, blind speeds, or Doppler ambiguities
CA3034765A1 (en) Method for processing a signal arising from coherent lidar and associated lidar system
CN104991247A (en) Low-interception velocity measurement method and radar device
CN113238246A (en) Method and device for simultaneously measuring distance and speed based on pulse sequence and storage medium
CN101788671B (en) Multicycle modulation method applied to laser ranging device using chirp amplitude modulation based on heterodyne detection
Yao et al. A novel low-power multifunctional ionospheric sounding system
FI110965B (en) Method for using Frequency Modulated Frequency Modulated Continuous Wave Radar (FMICW) signal in geophysical remote sensing
US7149148B2 (en) Localization of high speed vehicles using continuous transmit waves
US10175342B2 (en) Dispersive target identification
Chen et al. WIOBSS: The Chinese low-power digital ionosonde for ionospheric backscattering detection
CN115236697B (en) Time-sharing multi-frequency pulse wind measurement laser radar system and wind speed measurement method
FI110966B (en) A method for processing a Frequency Modulated Interrupt Continuous Wave Radar (FMICW) signal
RU2697509C2 (en) Method of detecting, measuring range and speed of low altitude low-speed target in pulse-doppler radar stations with high frequency of pulses repetition and inverted linear frequency modulation
CN205982626U (en) System of testing speed based on two etalons
JP2006226711A (en) Radar
RU2221258C1 (en) Procedure to measure range to several targets by pulse doppler radars with medium pulse repetition rate
CN115902922B (en) Doppler laser radar based on electric frequency domain differential frequency discrimination and measuring method thereof
JP2005055302A (en) Pulse compression method and device for monostatic radar

Legal Events

Date Code Title Description
MA Patent expired