펄스 도플러 신호 처리

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펄스 도플러 신호 처리는 속도가 느린 대형 물체에 근접해 소형 고속 물체를 감지할 수 있는 레이더 및 CEUS 성능 향상 전략이다. 100만 대 1의 검출 개선은 일반적이다. 작고 빠르게 움직이는 물체는 지형과 가까운 곳, 해면 근처, 폭풍 내부 등을 식별할 수 있다.

이 신호 처리 전략은 펄스 도플러 레이더와 멀티 모드 레이더에 사용되는데, 컴퓨터 소프트웨어와 연산자를 압도하지 않고 느리게 움직이는 반사체가 다수 포함된 지역을 가리킬 수 있다. 이동 표적 표시와 같은 다른 신호 처리 전략은 양성 청색 하늘 환경에 더 적합하다.

도플러초음파에서 혈류를 측정하는 데도 쓰인다.

환경

펄스 도플러(Pulse-Doppler)는 안테나 또는 변환기를 통해 전달되는 일관성 있는 펄스로부터 시작한다.

전송 펄스에는 변조가 없다. 각각의 맥박은 완벽한 논리 정연한 음조의 완벽한 한 조각이다. 일관성 있는 음조는 국부 발진기에 의해 생성된다.

안테나와 반사기 사이에는 수십 개의 전송 펄스가 있을 수 있다. 적대적인 환경에서는 천천히 움직이거나 정지해 있는 물체로부터 수백만 개의 다른 반사가 있을 수 있다.

전송 펄스는 펄스 반복 주파수에서 전송된다.

전송 펄스에서 나오는 에너지는 반사체에 의해 파괴될 때까지 공간을 통해 전파된다. 이 교란으로 인해 동작으로 인한 위상 변조와 함께 전송 에너지의 일부가 레이더 안테나 또는 변환기에 다시 반사된다. 송신 펄스를 생성하는 데 사용되는 동일한 톤은 수신 신호를 베이스 밴드로 하향 변환하는 데도 사용된다.

베이스밴드로 다운-변환된 반사 에너지가 샘플링된다.

샘플링은 각 전송 펄스가 꺼진 후에 시작한다. 이것은 송신기의 대기 단계다.

대기 단계는 균일한 간격의 샘플링 간격으로 나뉜다. 레이더가 또 다른 전송 펄스를 발사하기 시작할 때까지 샘플을 수집한다.

각 샘플의 펄스 폭은 전송 펄스의 펄스 폭과 일치한다.

펄스 도플러 필터에 대한 입력 역할을 할 수 있도록 충분한 샘플을 채취해야 한다.

샘플링

로컬 오실레이터는 90도 오프셋되는 두 개의 신호로 분할되며, 각각 수신된 신호와 혼합된다. 이 혼합물은 I(t)와 Q(t)를 생성한다. 전송 신호의 위상 일관성은 펄스 도플러 작동에 매우 중요하다. 다이어그램에서 상단에는 I/Q의 파형 전선의 단계가 표시된다.

이 다이어그램에 표시된 각 디스크는 다중 전송 펄스, 즉 전송 기간(1/PRF)에 의한 동일한 샘플 오프셋에서 추출한 단일 샘플을 나타낸다. 이것이 애매한 범위다. 각 샘플은 유사하지만 표시된 샘플보다 하나 이상의 펄스 폭만큼 지연될 수 있다. 각 표본의 신호는 다중 범위에서 반사된 신호로 구성된다.

다이어그램은 반시계방향 나선형으로, 인바운드 동작에 해당한다. 이건 업 도플러다. 다운 도플러는 시계방향 나선형을 만들 것이다.

윈도잉

디지털 샘플링 프로세스는 느리게 움직이는 물체에서 반사신호를 제거하기 위해 사용되는 필터에 울림을 유발한다. 샘플링은 순수한 톤의 입력에 대해 참 신호에 인접한 주파수 사이드로브를 생성하게 한다. 윈도우 설정은 샘플링 프로세스에 의해 유도되는 사이드로브를 억제한다.

창은 필터의 입력으로 사용되는 샘플 수입니다.

윈도우 프로세스는 일련의 복잡한 상수를 취하며 샘플이 필터에 적용되기 전에 각 샘플에 해당하는 윈도우 상수를 곱한다.

• 윈도잉에 대한 자세한 설명

돌프-체비체프 윈도잉은 최적의 시들로브 억제를 제공한다.

필터링

펄스 도플러 신호 처리는 반사된 신호를 다수의 주파수 필터로 분리한다. 각 모호한 범위에는 별도의 필터 세트가 있다. 위에서 설명한 I 및 Q 샘플은 필터링 프로세스를 시작하는 데 사용된다.

이러한 샘플은 도표 상단의 절반에 표시된 시간 영역 샘플의 m x n 행렬로 구성된다.

시간 영역 샘플은 디지털 필터를 사용하여 주파수 영역으로 변환된다. 이것은 보통 빠른 FFT를 포함한다. 신호 처리 중에 사이드 로브가 생성되며, 잘못된 경보를 줄이기 위해 돌프-체비셰프 윈도우 기능과 같은 사이드 로브 억제 전략이 필요하다.^[1]

샘플 1 샘플링 기간에서 추출한 모든 샘플은 첫 번째 필터 세트에 대한 입력을 형성한다. 이것이 첫 번째 모호한 범위 간격이다.

샘플 2 샘플링 주기에서 추출한 모든 샘플은 두 번째 필터 세트에 대한 입력을 형성한다. 이것이 두 번째 모호한 범위 간격이다.

이는 샘플 N 샘플링 기간에서 추출한 샘플이 마지막 필터 세트의 입력을 형성할 때까지 계속된다. 이것이 가장 먼 범위 간격이다.

그 결과 각 모호한 범위는 해당 범위에서 모든 도플러 주파수와 일치하는 별도의 주파수를 생성하게 된다.

디지털 필터는 샘플링에 사용되는 전송 펄스 수만큼 많은 주파수 출력을 생성한다. 주파수 출력이 1024인 FFT 1개를 생산하려면 입력에 1024개의 전송 펄스가 필요하다.

탐지

펄스 도플러에 대한 검출 프로세싱은 범위 샘플 중 하나에서 FFT 출력 중 하나에 해당하는 애매한 범위와 모호한 속도를 생성한다. 반사는 기상 현상, 지형 및 항공기를 각 범위에서 서로 다른 속도 영역으로 구분하는 다른 주파수에 해당하는 필터에 속한다.

신호가 검출될 수 있으려면 복수의 동시 기준이 필요하다.

일정한 거짓 경보 속도 처리는 각 FFT 출력을 검사하여 신호를 검출하는 데 사용된다. 이는 배경 소음과 환경 영향에 따라 자동으로 조정되는 적응 과정이다. 시험 중인 세포가 있는데, 이 세포는 주변 세포들을 함께 더하여 상수로 곱하고, 문턱을 세우는 데 사용된다.

${\displaystyle Threshold\ 기준{\begin}\mathrm {\begin{aigned}Cell(n)][Cell(n-2)+\\Cell(n-1)+\Cell(n+1)+\Cell(n+1)+\\Cell(n+2)]\time \\Constant\ended}\ended}\end{case}}}$

탐지를 둘러싼 영역을 조사하여 탐지의 위치(로컬 최대값$)$인 기울기$$기호가 $+{\displaystyle }$ {\$displaystyle$$+}$에서 - {\displaystyle -$\}($으)로$$ 변경되는 시기를 결정한다. 단일 모호한 범위에 대한 탐지는 내림차 진폭의 순서로 정렬된다.

${\displaystyle Peak\ Criteria{\begin}\mathrm {\frac {\Delta Amplitude}{\\\델타 주파수}}\오른쪽)셀(n-1)<0} \\\mathrm {\좌측({\frac {\delta Amplitude}{\delta Amplitude}{\\)델타 주파수}}\오른쪽)셀(n+1)>0} \end{case}}$

감지 기능은 속도 거부 설정을 초과하는 속도만 다룬다. 예를 들어, 속도 거부를 시속 75마일로 설정하면 폭풍우 내부에서 시속 50마일로 이동하는 우박은 감지되지 않지만 시속 100마일로 이동하는 항공기는 감지된다.

${\displaystyle Speed\ Criterness{\begin{case}\mathrm {\frac {C\time Doppler\ Frequency}{2\time Transmission\ Frequency}\오른쪽)>거부} \end{case}}$

단극 레이더의 경우 주엽과 사이드로브 블랭킹 채널에 대해 신호 처리가 동일하다. 이것은 물체 위치가 주엽에 있는지 또는 물체 위치가 안테나 빔의 위, 아래, 왼쪽 또는 오른쪽으로 오프셋되는지 여부를 식별한다.

${\displaystyle Mainlobe\ Criteria{begin{case}\mathrm {Main\Lob}Constant\time Side\Lob}\case}\end{case}}}}$

이러한 기준을 모두 만족시키는 신호는 탐지다. 이러한 진폭은 내림차 진폭(가장 큰 진폭에서 가장 작은 진폭까지) 순서로 정렬된다.

정렬된 탐지는 대상 반사의 실제 범위와 속도를 식별하기 위해 범위 모호성 분해능 알고리즘으로 처리된다.

모호성 해결

펄스 도플러 레이더는 레이더와 반사경 사이에 50개 이상의 펄스를 가질 수 있다.

펄스 도플러는 약 3kHz ~ 30kHz의 중간 펄스 반복 주파수(PRF)에 의존한다. 각 전송 펄스는 5km에서 50km까지 떨어져 있다.

대상의 범위와 속도는 샘플링 공정에 의해 생성된 모듈로 작동에 의해 접힌다.

실제 범위는 모호성 해결 프로세스를 사용하여 찾을 수 있다.

• 모호성 해결 프로세스 설명

다중 PRF로부터 수신된 신호는 범위 모호성 분해능 프로세스를 사용하여 비교한다.

• 범위 모호성 해결 프로세스 설명

수신된 신호는 주파수 모호성 분해능 프로세스를 이용하여 비교하기도 한다.

• 주파수 모호성 해결 프로세스 설명

자물쇠

반사경의 속도는 짧은 시간 동안 반사경 범위의 변화를 측정하여 결정한다. 이 범위의 변화는 속도를 결정하기 위해 시간 범위로 나눈다.

속도 또한 검출에 도플러 주파수를 사용하여 발견된다.

두 개를 빼서 그 차이를 간략히 평균한다.

${\displaystyle {\text{clock criteria}{\begin{pase}\mathrm {\좌측({\fracta R}{\Delta T}\우측)-\좌측({\frac {C\text{Doppler Frequenciple}}}}}}}}{{송 빈도주파수표{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{{우측)}우측)}}}}}}}}}}}}임계값}} \end{case}}$

평균 차이가 임계값 아래로 떨어지면 신호가 잠금이다.

자물쇠는 신호가 뉴턴 역학에 순응한다는 것을 의미한다. 유효한 반사경은 자물쇠를 만든다. 잘못된 신호는 그렇지 않다. 잘못된 반사는 헬리콥터 날개와 같은 것으로, 도플러가 차량이 공기를 통해 이동하는 속도와 일치하지 않는 것을 포함한다. 유효하지 않은 신호는 레이더 방해나 속임수와 같이 송신기와 분리된 소스에 의해 만들어진 전자파를 포함한다.

잠금 신호가 발생하지 않는 반사경은 기존 기법을 사용하여 추적할 수 없다. 이는 차량의 주체가 거부 속도 이하(날개만 보일 뿐)가 될 수 있기 때문에 헬리콥터와 같은 물체에 대해 피드백 루프를 열어야 함을 의미한다.

잠금을 발생시키는 탐지의 경우 트랙으로의 전환은 자동으로 이루어진다.

트랙으로의 전환은 일반적으로 비뉴턴 신호 소스의 경우 수동이지만 프로세스를 자동화하는 데 추가 신호 처리를 사용할 수 있다. 선로 데이터를 개발하려면 신호 소스 근처에서 도플러 속도 피드백을 비활성화해야 한다.

트랙

트랙 모드는 특정 위치에서 탐지가 지속되면 시작된다.

트랙 중 반사경의 XYZ 위치는 데카르트 좌표계를 사용하여 결정되며 반사경의 XYZ 속도를 측정하여 미래 위치를 예측한다. 이것은 칼만 필터의 작동과 비슷하다. XYZ 속도에 스캔 사이의 시간을 곱하여 안테나의 새로운 각 조준점을 결정한다.

레이더는 극좌표계를 사용한다. 트랙 위치는 향후 안테나 위치의 왼쪽-오른쪽 및 위쪽 목표 지점을 결정하는 데 사용된다. 안테나는 최대 에너지로 표적을 칠하고 그 뒤에 끌어서는 안 되는 위치를 겨냥해야 한다. 그렇지 않으면 레이더의 효과가 떨어질 것이다.

반사경까지의 추정 거리를 측정된 거리와 비교한다. 차이점은 거리 오차다. 거리 오류는 트랙 데이터의 위치 및 속도 정보를 수정하는 데 사용되는 피드백 신호다.

도플러 주파수는 위상 잠금 루프에서 사용되는 피드백과 유사한 추가 피드백 신호를 제공한다. 이는 위치 및 속도 정보의 정확성과 신뢰성을 향상시킨다.

반사경이 반환하는 신호의 진폭과 위상은 트랙 중 단극 레이더 기법을 사용하여 처리한다. 이것은 안테나 포인팅 위치와 물체 위치 사이의 오프셋을 측정한다. 이것을 각도 오차라고 한다.

각각의 분리된 물체는 독자적인 트랙 정보를 가지고 있어야 한다. 이것을 트랙 히스토리라고 하며, 이것은 짧은 시간 동안 거슬러 올라간다. 이것은 공중에 떠다니는 물체들의 경우 1시간이나 될 수 있다. 수중 물체에 대한 시간 범위는 일주일 또는 그 이상으로 연장될 수 있다.

물체가 탐지를 생성하는 트랙을 활성 트랙이라고 한다.

그 트랙은 어떤 탐지가 없을 때 잠깐 계속된다. 탐지가 없는 트랙은 코스트 트랙이다. 속도 정보는 안테나 조준 위치 추정에 사용된다. 이것들은 짧은 기간 후에 버려진다.

각 트랙은 대략 축구공 모양인 주변 캡처 볼륨을 가지고 있다. 캡처 볼륨의 반경은 펄스 도플러 레이더에서 수신기 대역 통과 필터에 의해 결정되는 해당 볼륨의 연속 스캔들 사이에서 가장 빠르게 감지할 수 있는 차량이 이동할 수 있는 대략적인 거리다.

코스트 트랙의 캡처 볼륨에 포함되는 새로운 트랙은 인근 코스트 트랙의 트랙 이력과 교차 상관된다. 위치 및 속도가 호환되면 코스트 트랙 이력이 새 트랙과 결합된다. 이것을 조인 트랙이라고 한다.

액티브 트랙의 캡처 볼륨 내의 새로운 트랙을 분할 트랙이라고 한다.

펄스 도플러 트랙 정보는 결합 트랙과 분할 트랙을 포함하는 의사결정 로직의 일부인 객체 영역, 오류, 가속 및 잠금 상태를 포함한다.

다른 전략들은 뉴턴 물리학을 만족시키지 못하는 물체들에 사용된다.

사용자는 일반적으로 트랙 데이터와 원시 감지 신호의 정보를 보여주는 여러 디스플레이를 제공한다.

• 계획위치표시기
• 새 트랙, 분할 트랙 및 결합 트랙에 대한 알림 스크롤
• 범위 진폭 표시
• 레인지 높이 표시기
• 각도 오류 표시

계획 위치 표시기와 스크롤 알림은 자동이며 사용자 작업이 필요하지 않다. 나머지 디스플레이는 사용자가 트랙을 선택한 경우에만 추가 정보를 표시하도록 활성화된다.

참조