ITRM20080493A1

ITRM20080493A1 - RADAR-SONAR IMAGES

Info

Publication number: ITRM20080493A1
Application number: IT000493A
Authority: IT
Inventors: Roberto Giusto
Original assignee: Roberto Giusto
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2010-03-17

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

dell’invenzione industriale avente per titolo : of the industrial invention entitled:

Radar - Sonar ad immagini Radar - Imaging sonar

L’invenzione presentata è relativa ad un Radar - Sonar ad immagini da utilizzare per il controllo del traffico veicolare e in applicazioni di tele-sorveglianza per i controlli di sicurezza. Come è noto, in determinate circostanze, le microonde elettromagnetiche e le onde acustiche si propagano meglio delle onde luminose, pertanto, nella tecnica odierna, vengono impiegate sia apparecchiature Radar, in grado di ricostruire immagini di oggetti che si trovano a grandi distanze e che riflettono le microonde, sia apparecchi Sonar e per ecografia, utilizzati per la ricostruzione di immagini di oggetti, immersi in ambienti a prevalente contenuto d’acqua. La riflessione e la propagazione degli echi radar alle frequenze delle microonde e degli echi sonar alle frequenze acustiche sono fenomeni aventi caratteristiche comuni, che consentono di trattare alla stessa maniera sia l’identificazione sia la localizzazione degli echi nello spazio. Pertanto, la presente invenzione tratta in modo unificato applicazioni sia Radar sia Sonar in cui occorre ricostruire immagini di oggetti mediante elaborazione elettronica degli echi Radar - Sonar. Sino ad oggi, lo sviluppo dell’elettronica ha fatto progredire rapidamente queste tecniche. Tuttavia, la diffusione in applicazioni civili delle tecniche Radar e Sonar ad immagini è sostanzialmente ostacolata dalla complessità e dall’elevato costo delle apparecchiature e della sofisticata componentistica. The invention presented relates to an imaging Radar - Sonar to be used for vehicle traffic control and in tele-surveillance applications for security checks. As is known, under certain circumstances, electromagnetic microwaves and acoustic waves propagate better than light waves, therefore, in today's technique, both radar equipment are used, capable of reconstructing images of objects that are at great distances and which reflect microwaves, both Sonar and ultrasound devices, used for the reconstruction of images of objects immersed in environments with a prevalent water content. The reflection and propagation of radar echoes at microwave frequencies and sonar echoes at acoustic frequencies are phenomena with common characteristics, which allow both the identification and localization of echoes in space to be treated in the same way. Therefore, the present invention deals in a unified way both Radar and Sonar applications in which it is necessary to reconstruct images of objects by means of electronic processing of the Radar - Sonar echoes. Up to now, the development of electronics has rapidly advanced these techniques. However, the diffusion in civil applications of Radar and Sonar imaging techniques is substantially hampered by the complexity and high cost of the equipment and sophisticated components.

L’invenzione proposta intende risolvere questo problema di complessità e di costo impiegando algoritmi di identificazione e di elaborazione degli echi e delle immagini, realizzati nella struttura dell’invenzione in maniera riprogrammabile, mediante circuiti a basso costo, aventi elevata capacità di elaborazione e di riconfigurazione. The proposed invention intends to solve this problem of complexity and cost by using algorithms for the identification and processing of the echoes and images, realized in the structure of the invention in a reprogrammable way, by means of low-cost circuits, having a high processing and reconfiguration capacity. .

Tutti i componenti utilizzati in questo contesto sono reperibili a basso costo. All components used in this context are available at low cost.

L’invenzione si colloca nel campo tecnico del tele-rilevamento in genere e della telesorveglianza; nel campo applicativo dei sistemi Radar, Sonar e delle apparecchiature per tele-misure e per la sicurezza. L’invenzione viene di seguito descritta a scopo illustrativo e non limitativo facendo riferimento alle figure di seguito allegate : The invention is located in the technical field of remote sensing in general and remote surveillance; in the field of application of Radar, Sonar systems and equipment for tele-measurements and for safety. The invention is described below for illustrative and non-limiting purposes with reference to the figures attached below:

Fig. 1 - Radar - Sonar ad immagini ; Fig. 1 - Radar - Image sonar;

Fig. 2 - Ricetrasmettitore e circuiti di Compensazione-Amplificazione ; Fig. 2 - Transceiver and Compensation-Amplification circuits;

Fig. 3 - Circuiti di Conversione, Elaborazione e Controllo-interfaccia digitale ; Fig. 3 - Conversion, Processing and Control Circuits-digital interface;

Fig. 4 - Algoritmo di elaborazione basato su FFT (traformata veloce di Fourier). Fig. 4 - Processing algorithm based on FFT (fast Fourier transform).

1 - Trasduttore TX 1 - TX transducer

1 a - Riflettore-equalizzatore 1 a - Reflector-equalizer

2 - Trasduttore RX 2 - RX transducer

3 - Mixer a doppia uscita (I & Q) 3 - Dual output mixer (I & Q)

4 - Oscillatore controllato VCO 4 - VCO controlled oscillator

5 - Generatore di segnale a “dente di sega” 5 - "Sawtooth" signal generator

6 - Sommatore per la compensazione del canale I 6 - Adder for compensation of channel I

7 - Sommatore per la compensazione del canale Q 7 - Adder for the compensation of the Q channel

8 - Generatore dei segnali di compensazione dei canali (I & Q) 8 - Generator of channel compensation signals (I & Q)

9 - Interfaccia dei sincronismi 9 - Synchronism interface

10 - Amplificatore programmabile del canale I 10 - Programmable amplifier of channel I

1 1 - Amplificatore programmabile del canale Q 1 1 - Programmable amplifier of channel Q

12 - Convertitore Analogico-Digitale (ADC) del canale I 12 - Analog-to-Digital Converter (ADC) of channel I

13 - Convertitore Analogico-Digitale (ADC) del canale Q 13 - Analog-to-Digital Converter (ADC) of channel Q

S - segnali S - signals

14 - Componente complesso FPGA a logica digitale programmabile 14 - FPGA complex component with programmable digital logic

15 - Interfaccia di comunicazione-dati 15 - Data-communication interface

16 - Oscillatore principale 16 - Main oscillator

17 - Memoria RAM dinamica 17 - Dynamic RAM memory

18 - Memoria FLASH non-volatile 18 - Non-volatile FLASH memory

19 - Personal computer o rete di computer o terminale grafico 19 - Personal computer or computer network or graphic terminal

20 - Combinatore dei segnali I & Q (in uscita genera un segnale complesso) 20 - Combiner of I & Q signals (output generates a complex signal)

21 - 26 - Blocchi di Memoria (Buffer di segnali) a matrice 21 - 26 - Matrix Memory Blocks (Signal Buffers)

22 - 25 - 32 - 33 - 34 - Blocchi di elaborazione FFT (Trasformata veloce di Fourier) 23 - Blocco di trasformazione in matrice trasposta 22 - 25 - 32 - 33 - 34 - FFT processing blocks (Fast Fourier Transform) 23 - Transformation block into a transposed matrix

24 -41 - 42 - 43 - Blocchi per la moltiplicazione complessa di due segnali 24 -41 - 42 - 43 - Blocks for the complex multiplication of two signals

27 - Blocco di traslazione degli indici, di moltiplicazione per un fattore di scala e di generazione del segnale di riferimento per la corretta rappresentazione di immagini 28 - Blocco per la moltiplicazione di 3 segnali in ingresso 27 - Index translation block, multiplication by a scale factor and generation of the reference signal for the correct representation of images 28 - Block for multiplying 3 input signals

29 - 30 - 31 - Blocchi di selezione di una sotto-matrice 29 - 30 - 31 - Blocks for selecting a sub-matrix

38 - 39 - 40 - Blocchi che realizzano il coniugato di segnali complessi 38 - 39 - 40 - Blocks that realize the conjugate of complex signals

35 - Blocco di ritardo di 1 unità temporale 35 - 1 time unit delay block

36 - Blocco di ritardo di 2 unità temporali 36 - Delay block of 2 time units

37 - Blocco di ritardo di 4 unità temporali 37 - Delay block of 4 time units

L’invenzione può’ avere dimensioni e configurazioni a piacere. Essa è costituita da un Radar - Sonar ad immagini, Fig.1 , in cui A rappresenta un circuito ricetrasmittente, B rappresenta un circuito di compensazione ed amplificazione dei segnali, C rappresenta un circuito di conversione, elaborazione e controllo-interfaccia digitale, mentre 19 rappresenta un Personal Computer o una rete di computer o, piu’ semplicemente, un terminale grafico. Il circuito ricetrasmittente, Fig.2, contenuto nel blocco A, è costituito da un Trasduttore TX 1, da un Trasduttore RX 2, da un Riflettore-equalizzatore 1a, da un Mixer a doppia uscita (I & Q), 3, da un Oscillatore controllato VCO 4. Detto circuito ricetrasmittente provvede alla trasmissione del segnale Radar o Sonar mediante il trasduttore TX 1 di onde elettromagnetiche o sonore, rispettivamente. La frequenza di trasmissione viene modulata periodicamente tramite l'oscillatore controllato VCO 4, in modo che, simultaneamente alla trasmissione, sia possibile ricevere sul trasduttore RX 2 eventuali echi Radar o Sonar, trasformarli in appropriati segnali elettrici ed inviarli direttamente al mixer a doppia uscita (I & Q) 3, da cui si ottiene, a seguito del battimento con il segnale proveniente daH'oscillatore VCO 4, una coppia di segnali a bassa frequenza, contenenti le informazioni d’ampiezza e fase degli echi ricevuti. Si precisa che i trasduttori TX ed RX, 1 e 2, rispettivamente, possono includere componenti attivi per amplificare la potenza delle onde in trasmissione ed amplificare in ricezione anche gli echi piu’ deboli. Il riflettore-equalizzatore 1a svolge l’importante funzione di rendere massima la portata ed uniformi le prestazioni Radar - Sonar in funzione della distanza degli oggetti rilevati, poiché distribuisce opportunamente nello spazio l’energia delle onde trasmesse dal Trasduttore TX 1 ed, in maniera reciproca, raccoglie selettivamente nello spazio gli echi ricevuti dal Trasduttore RX 2. Nel caso Radar il Riflettore-equalizzatore 1a è realizzabile sotto forma di singolo riflettore a doppia curvatura oppure di doppio riflettore. Nel caso del Sonar si può’ realizzare sotto forma di singolo riflettore oppure di lente, avente un idoneo profilo. L’oscillatore controllato VCO 4, è pilotato dal generatore di segnale a “dente di sega” 5, la cui periodicità è controllata tramite l'interfaccia dei sincronismi 9, che egualmente, provvede anche a controllare il generatore dei segnali di compensazione (dei canali I & Q) 8 . Questi segnali servono a compensare, tramite i due sommatori 6 e 7, la coppia di segnali a bassa frequenza provenienti dal mixer a doppia uscita (I & Q), 3. The invention can be of any size and configuration. It consists of an imaging Radar - Sonar, Fig. 1, in which A represents a transceiver circuit, B represents a signal compensation and amplification circuit, C represents a digital conversion, processing and control-interface circuit, while 19 it represents a Personal Computer or a computer network or, more simply, a graphic terminal. The transceiver circuit, Fig. 2, contained in block A, consists of a Transducer TX 1, a Transducer RX 2, a Reflector-equalizer 1a, a double output mixer (I & Q), 3, a Controlled oscillator VCO 4. Said transceiver circuit provides for the transmission of the Radar or Sonar signal by means of the transducer TX 1 of electromagnetic or sound waves, respectively. The transmission frequency is periodically modulated by the VCO 4 controlled oscillator, so that, simultaneously with the transmission, it is possible to receive any Radar or Sonar echoes on the RX 2 transducer, transform them into appropriate electrical signals and send them directly to the double output mixer ( I & Q) 3, from which, following the beating with the signal coming from the oscillator VCO 4, a pair of low frequency signals, containing the amplitude and phase information of the echoes received, is obtained. It should be noted that the TX and RX transducers, 1 and 2, respectively, may include active components to amplify the power of the transmitting waves and amplify even the weakest echoes in reception. The reflector-equalizer 1a performs the important function of maximizing the range and making the Radar - Sonar performance uniform as a function of the distance of the detected objects, since it appropriately distributes the energy of the waves transmitted by the Transducer TX 1 in space and, in a reciprocal manner , selectively collects in space the echoes received by the RX transducer 2. In the Radar case, the Reflector-equalizer 1a can be made in the form of a single double-curved reflector or a double reflector. In the case of Sonar it can be made in the form of a single reflector or lens, having a suitable profile. The controlled oscillator VCO 4 is driven by the "sawtooth" signal generator 5, whose periodicity is controlled through the synchronism interface 9, which also controls the generator of the compensation signals (of the channels I & Q) 8. These signals are used to compensate, through the two adders 6 and 7, the pair of low frequency signals coming from the double output mixer (I & Q), 3.

I segnali I e Q , così compensati e correttamente amplificati mediante gli amplificatori a guadagno programmabile (I e Q) 10 e 11, vengono convertiti in segnali digitali dai rispettivi convertitori ADC (I e Q) 12 e 13 ed, infine, giungono al componente complesso FPGA a Logica Digitale Programmabile, 14, che provvede alla loro elaborazione in tempo-reale in base all’algoritmo, riportato in Fig. 4, e trasferisce le immagini risultanti da queste elaborazioni, tramite interfaccia di comunicazione-dati 15, verso un Personal Computer 19, o una rete di computer o un terminale grafico. Questo componente complesso FPGA, 14, che utilizza per il suo_ funzionamento ottimale una memoria RAM dinamica 17, una memoria FLASH non-volatile 18 e un oscillatore principale 16, controlla digitalmente i guadagni degli amplificatori 10 e 11, i segnali dell’interfaccia dei sincronismi 9 e quelli dei generatori 8 e 5. The signals I and Q, thus compensated and correctly amplified by means of the programmable gain amplifiers (I and Q) 10 and 11, are converted into digital signals by the respective ADC converters (I and Q) 12 and 13 and, finally, they reach the component FPGA complex with Programmable Digital Logic, 14, which carries out their processing in real time based on the algorithm, shown in Fig. 4, and transfers the images resulting from these processing, via the communication-data interface 15, to a Personal Computer 19, or a computer network or graphic terminal. This complex FPGA component, 14, which uses for its optimal operation a dynamic RAM memory 17, a non-volatile FLASH memory 18 and a main oscillator 16, digitally controls the gains of the amplifiers 10 and 11, the signals of the synchronism interface 9 and those of generators 8 and 5.

Fra gli algoritmi di elaborazione di immagini Radar - Sonar già noti nella letteratura tecnica, è riportato di seguito, in Fig. 4, a scopo puramente descrittivo e non limitativo, un esempio basato sulle trasformate veloci di Fourier (FFT) realizzate nella struttura dell’invenzione, mediante programmazione del componente complesso FPGA a logica digitale programmabile, 14. Il funzionamento dell’algoritmo comporta anzitutto la conversione dei segnali I & Q in segnale complesso nel blocco 20 e la compressione in distanza (range) tramite i blocchi 21, 22, 23. 1 restanti blocchi di Fig. 4 sono utilizzati ai fini della compressione nella direzione trasversale (cross-range). L’invenzione è caratterizzata dal fatto di elaborare i segnali degli echi Radar - Sonar mediante blocchi plurimi di trasformazione tempo-frequenza. Questi ultimi sono realizzabili mediante algoritmi di diversa natura e complessità, pertanto, nell’ambito dell’invenzione, si preferisce l'impiego dei blocchi FFT, 22, 25, 33, 34, 35 collegati a blocchi per la moltiplicazione dei segnali 24, 28, 41, 42, 43 ed, inoltre, ad altri blocchi ausiliari che sono parte integrante dell’algoritmo complesso, descritto in Fig. 4. Among the Radar - Sonar image processing algorithms already known in the technical literature, an example based on fast Fourier transforms (FFT) realized in the structure of the invention, by programming the FPGA complex component with programmable digital logic, 14. The operation of the algorithm involves first of all the conversion of the I & Q signals into a complex signal in block 20 and the distance compression (range) through blocks 21, 22, 23. The remaining blocks of Fig. 4 are used for compression in the transverse direction (cross-range). The invention is characterized by the fact of processing the signals of the Radar - Sonar echoes by means of multiple blocks of time-frequency transformation. The latter can be realized by means of algorithms of different nature and complexity, therefore, in the context of the invention, it is preferred to use the FFT blocks, 22, 25, 33, 34, 35 connected to blocks for the multiplication of the signals 24, 28 , 41, 42, 43 and, moreover, to other auxiliary blocks which are an integral part of the complex algorithm, described in Fig. 4.

Essendo disponibili in letteratura diversi algoritmi complessi, per ricostruire l’immagine di oggetti distanti che danno origine agli echi Radar - Sonar, la scelta di programmare l’algoritmo di Fig. 4 nel componente FPGA, 14, usando blocchi del tipo FFT, 22, 25, 33, 34, 35, unitamente ad altri blocchi, non deve considerarsi limitativa. L’ invenzione presentata è un sistema di tele-rilevamento che, nella sua qualità di Radar ad immagini, risulta utilissimo per il controllo del traffico e per la classificazione degli autoveicoli su strade ed autostrade. Since several complex algorithms are available in the literature, to reconstruct the image of distant objects that give rise to the Radar - Sonar echoes, the choice of programming the algorithm of Fig. 4 in the FPGA component, 14, using blocks of the FFT type, 22, 25, 33, 34, 35, together with other blocks, should not be considered limiting. The invention presented is a remote sensing system which, in its image radar quality, is very useful for traffic control and for the classification of vehicles on roads and highways.

Il vantaggio derivante dal suo impiego riguarda non solo l’elevata accuratezza nell’individuazione delle sagome dei veicoli in transito e nella loro classificazione, ma anche la facilità d'installazione in posizione sopraelevata mediante un palo di moderata altezza, contrariamente ai sistemi attualmente in uso che sono assai invasivi, poiché richiedono l'installazione di spire di grande area che debbono essere inglobate nel manto stradale mediante fresatura e successivo ripristino dello stesso. Il sistema oggetto dell’invenzione presentata è facilmente realizzabile in configurazione portatile, miniaturizzata sino al punto da essere tascabile, ultraleggera ed autonomamente alimentata. Difatti, i circuiti componenti descritti, possono essere miniaturizzati tramite l’opportuna progettazione e fabbricazione di uno o piu’ circuiti specializzati (ASIC), che integrino le funzioni sopraelencate. The advantage deriving from its use concerns not only the high accuracy in identifying the shapes of vehicles in transit and in their classification, but also the ease of installation in an elevated position by means of a pole of moderate height, unlike the systems currently in use. which are very invasive, since they require the installation of large area loops which must be incorporated into the road surface by milling and subsequent restoration of the same. The system object of the invention presented is easily achievable in a portable configuration, miniaturized to the point of being pocketable, ultralight and autonomously powered. In fact, the component circuits described can be miniaturized through the appropriate design and manufacture of one or more specialized circuits (ASIC), which integrate the functions listed above.

Esso potrebbe essere di grande aiuto per l’azione delle forze dell’ordine nel quadro di particolari applicazioni di tele-sorveglianza e di tele-rilevamento. It could be of great help for the action of law enforcement agencies in the context of particular tele-surveillance and remote-sensing applications.

L’invenzione si presta all’impiego nell’ambito dei sistemi anti-intrusione, poiché può’ cooperare con eventuali altri sistemi di video-sorveglianza al fine di identificare e ricostruire per immagini la forma di oggetti distanti, che sono rivelabili tramite Radar -Sonar anche in condizioni di cattiva visibilità, mentre non sono rivelabili tramite sensori ottici e sensori ad infrarossi, se non a brevissima distanza. The invention is suitable for use in the field of anti-intrusion systems, since it can cooperate with any other video surveillance systems in order to identify and reconstruct the shape of distant objects, which are detectable by Radar-Sonar. even in poor visibility conditions, while they are not detectable by optical sensors and infrared sensors, if not at a very short distance.

Claims

Claims 1. Radar - Imaging sonar for remote sensing characterized by the fact that it essentially consists of a TX transducer (1), an RX transducer (2), a Reflector-equalizer (1a), a I & Q dual output mixer (3 ), a VCO controlled oscillator (4), a "sawtooth" generator (5), two adders (6 and 7), a compensation signal generator (8), a synchronism interface (9), two Amplifiers I & Q (10 and 11), two ADC analog-to-digital converters (I & Q) (12 and 13), a complex FPGA component with programmable digital logic (14), a communication-data interface (15), a main oscillator (16), a dynamic RAM memory (17), a non-volatile FLASH memory (18), a Personal Computer or computer network or graphic terminal (19).

2. Radar - Imaging sonar, according to claim 1, characterized in that its components are readily available on the market at low cost.

3. Radar - Imaging sonar, according to claim 1, characterized by the fact that the Reflector-equalizer (1 a) is designed and built "ad hoc" in order to make uniform the performance of the system as a function of the distance of the detected objects and to obtain the maximum range of remote sensing and remote surveillance.

4. Radar - Imaging sonar, according to claim 1, characterized by the fact that the signal processing algorithms, such as those based on Fourier time-frequency transforms, can be optimized, programmed and implemented "ad hoc" in the complex FPGA component with programmable digital logic (14).

5. Radar - Imaging sonar, according to claim 1, characterized in that it processes the echo signals preferably by means of multiple blocks of FFTs (22), (25), (33), (34), (35) connected to further blocks that carry out the multiplication of signals (24), (28), (41), (42), (43), which, together with other auxiliary blocks, constitute a complex algorithm, able to reconstruct the shape of distant objects that give rise to Radar - Sonar echoes.

6. Radar - Imaging sonar, according to claims 1 and 5, characterized by the fact of being able to use time-frequency transforms of any type and complexity in the processing of signals, provided they have equivalent or higher performance than those of Fast Fourier Transforms FFT (22), (25), (33), (34), (35), preferred.

7. Radar - Imaging sonar, according to the previous claims, characterized by the fact that it can be miniaturized by integrating its functions through the creation of one or more ASIC integrated circuits.