FI110965B - Menetelmä taajuusmoduloidun, katkotun jatkuva-aaltotutkasignaalin (FMICW) käyttämiseksi geofysikaalisessa kaukotunnistuksessa - Google Patents

Description

110965

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.

Tämä asiakiija kuvaa modulointimenetelmän uuden käyttötavan tuulikeilaimen tutkasignaalin paluukaiun käytettävyyden parantamiseksi.

10

Keksintö koskee tuuliprofiloijatutkaa, mutta periaatetta voidaan käyttää missä tahansa kaukokartoituslaitteessa, joka mittaa tilavuussironnan tai tilavuusheijastuksen profiileja.

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.

20

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.

Keskimääräinen palaava teho etäisyyden funktiona tutkasta voidaan kiijoittaa seuraavaan • muotoon:

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:

Imax = Co/2 * Tpulssi» 10 missä Co on valonnopeus ja TpuisSi on kahden peräkkäisen pulssin lähetyksen aikaväli.

Tyypillisesti T|(r) on funktio, jonka muotoa ei tunneta. Vapaassa troposfäärissä tropo-paussia lähestyviin korkeuksiin asti T|(r) on tavallisesti etäisyyden laskeva funktio.

15 Vastaanotetun tehon yhtälöä voidaan käyttää lähtien ensimmäisestä etäisyydestä, jolla tutka pystyy saamaan paluukaiun lähetyksen katkaisun jälkeen. Voimme täten kiijoittaa:

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.

' ·' 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

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.

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.

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.

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.

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.

FMCW-jäijestelmät ovat osoittautuneet käytännössä liian monimutkaisiksi, jotta niitä 30 voitaisiin käyttää kaupallisissa säätutkissa ja tuuliprofiloijissa.

110965 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.

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.

Modulointi koostuu taajuuspyyhkäisyn ja pulssituksen jäijestelmästä. Taajuuspyyhkäisyn taajuusdeviaatio määrittää geofysikaalisen profilointijäijestelmän alueresoluution. Jatkuva taajuuspyyhkäisy on jaettu lähetyksen ja vastaanoton alalohkojen toistuvaksi ketjuksi.

15

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.

Keksinnön tavoite toteutetaan vaihtamalla porttitaajuutta keskimääräisen signaalitehon maksimoimiseksi halutulla etäisyydellä antennista.

25 Keksinnön mukaiselle menetelmälle on erityisesti ominaista se, mitä on lausuttu patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksintö tarjoaa huomattavia etuja tunnettuun tekniikkaan verrattuna.

110965 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.

S Keksintöä voidaan kuitenkin soveltaa kahden säteilyaukon eli multistaattisissa järjestelmissä, jos muut seikat tekevät tällaisesta menetelmästä haluttavan.

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.

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.

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,

Kuvio 8 on toinen monikäyräesitys keksinnöllä saaduista signaaleista.

15

Ratkaisu ennestään tunnetun tekniikan tunnettuihin ongelmiin on käyttää taajuusmoduloi-tua katkottua jatkuvan aallon lähetystä (FMICW) moduloinnin parametrejä ohjaavan ta-kaisinkytkentäj äij estelmän kanssa.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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:

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.

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:

Pr = C * Pt * (2-r/ropt) * T^rj/r2, missä r0pt<r<2*r0pt 25 Tältä etäisyysalueelta vastaanotettu teho pienenee jyrkästi korkeuden funktiona.

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.

110965 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.

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.

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.

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.

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.

10

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.

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.

FMICW-profiloija pystyy nyt ilmaisemaan ilmakehäsignaalin korkeuteen 2200 metriä asti, joka on selvästi enemmän kuin alkuperäinen 1650 metriin ulottuva suorituskyky.

25

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.

π 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.

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).

Seuraavassa kuvataan keksinnön yhtä edullista suoritusmuotoa kuvioon 6 viitaten.

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.

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.

12 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.

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.

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.

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.

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.

14 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.

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.

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.

15 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.

Pulssien vastaanoton aikaisen osittaisen integroinnin havainnollistamiseksi paremmin 10 kuvio 8 esittää sumennettuna kuvion 7 tulosteet.

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.

Vaikka portmnuksen tyypillinen hyötyjakso on 50 %, keksinnön mukaisesti hyötyjakso voi vaihdella välillä 10-90 %.

20 • c • « «

Claims (10)

1. Menetelmä taajuusmoduloidun katkotun jatkuvan aallon (FMICW) tutkasignaalin käyttämiseksi, joka menetelmä käsittää seuraavat vaiheet: 5 - muodostetaan signaali, jonka taajuus muuttuu asetetulla kaistanleveydellä (B), - portitetaan signaalia päälle ja pois ennalta määritellyllä taajuudella (fg) muodostaen siten on-aikarakoja ja off-aikarakoja, 10 - lähetetään portitettu signaali haluttuun kohteeseen lähettimen ja antennin avulla, - otetaan vastaan heijastunut tai takaisin sironnut signaali portitetun signaalin off-aikarakojen aikana ja 15 - ilmaistaan ja kerätään halutut ominaisuudet vastaanotetusta signaalista, tunnettu siitä, että 20. muutetaan portitustaajuutta (fg) keskimääräisen signaalitehon maksimoimiseksi halutul ta etäisyydeltä antennista.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että portituksesta johtuva hyötyjakso on noin 50 %. 25

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että portitustaajuus .. on noin 5 % kaistanleveydestä (B).

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1 tai 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että 30 portitustaajuutta vaihdellaan alueella, joka välillä 1 ja 50 % kaistanleveydestä (B). „ 110965

5. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että portitustaaj uuden (fg) muutos suoritetaan portaittain.

6. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 5 että portitustaajuuden (fg) muutos suoritetaan jatkuvalla tavalla.

7. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ilmaistaan ja/tai käsitellään haluttu osuus off-aikaraosta informaation saamiseksi halutulta etäisyydeltä ja haluttuun etäisyyteen liittyvän signaalin kohinan minimoimiseksi. 10

8. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käsitellään vain off-aikaraon alku.

9. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että käsitellään vain off-15 aikaraon loppu.

10. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmää käytetään geofysikaaliseen kaukokartoitukseen. is 110965