Procedimiento y dispositivos para determinar la respuesta impulsional de canales de propagación que implican emisores, reflectores y sensores fijos o móviles.

Procedimiento para determinar uno o varios parámetros de la respuesta impulsional de un canal de propagación que implica unos emisores,

unos reflectores o unos sensores fijos o móviles, para detectar y para determinar los parámetros de posición y de cinemática de estos emisores y reflectores, en un sistema que consta de N sensores que reciben unas señales procedentes de dichos emisores o de la reflexión en dichos reflectores, con N superior o igual a 2 y que consta al menos de las siguientes etapas:

- Utilizar el acoplamiento del análisis espacial y del análisis retardo-distancia/Doppler-cinemático con el fin de determinar una función de ambigüedad;

- Determinar al menos una estadístico suficiente (l, m, K) correspondiente a la correlación entre la señal conocida s(kTe) que corresponde a la envolvente compleja de la señal emitida, muestreada en el periodo Te, considerada en un intervalo de integración de K muestras (índice k = 0,...K-1), al cual se le hace experimentar una eventual transformación ligada a las hipótesis sobre las posiciones y cinemáticas de los emisores receptores y reflectores y sobre las fluctuaciones de la propagación, y la salida de un filtro espacial w(I,m), donde I simboliza un conjunto de hipótesis temporales y donde m simboliza un conjunto de hipótesis frecuenciales, que toma en la entrada las observaciones xm((k+I)Te), 0 ≤ k ≤ K-1, a su vez muestreadas en el periodo Te, determinar los valores del par (I,m) comparando el valor del estadístico (l, m, K) para el par (l, m) con un valor umbral de detección, y que se caracteriza porque, para los casos en los que los parámetros temporales que simboliza I se reducen a un retardo o a una distancia, y donde los parámetros cinemáticos que simboliza m se reducen a un Doppler o a una velocidad relativa, el procedimiento consta al menos de las etapas siguientes:

para cada hipótesis retardo I y cada hipótesis Doppler m, m como índice de las variables xm y rxms (el tiempo de integración siendo como máximo KTe, la resolución y el paso de muestreo a Doppler se pueden tomar en 1/KTe, y la desviación Doppler estimada es entonces un múltiplo de 1/KTe que se caracteriza por el índice m = 0,..., K-1);

- Estimar el vector xms(lTe) a partir de las K muestras conocidas, s(kTe), de la señal emitida y de las K observaciones separadas en frecuencias, xm((k+I)Te) = x((k+I)Te) exp[-j2πm(k+I)/K], 0 ≤ k ≤ K-1, mediante el estadístico:

- Estimar la matriz xm(ITe) a partir de las K observaciones separadas en frecuencias, xm((k+l)Te) =x((k+l)Te) exp[-j2πm(k+l)/K], 0 ≤ k ≤ K-1, mediante el estadístico:

- Calcular el estadístico suficiente:

donde se define por la estimación en el sentido de los menores cuadrados de la potencia media de la señal conocida, mediante dicho procedimiento caracterizándose porque consta al menos de las etapas siguientes:

- Calcular el estadístico suficiente donde s es el vector director de la señal que procede del emisor o del reflector

- Ajustar el umbral de detección para una probabilidad de falsa alarma dada;

- Comparar el valor del estadístico (I, m, s, K) en el umbral de detección fijado y en el caso de que se supere este valor umbral, decretar la detección del reflector en la celda distancia/Doppler (I, m) y la celda espacial s;

- Estimar el retardo y la distancia relativos del emisor o del reflector a partir de I;

- Estimar el Doppler y a velocidad relativas al emisor o del reflector a partir de m;

- Estimar la posición angular del emisor o del reflector a partir de s.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2008/060472.

Solicitante: THALES.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: 45, RUE DE VILLIERS 92200 NEUILLY-SUR-SEINE FRANCIA.

Inventor/es: CHEVALIER, PASCAL, PIPON, FRANCOIS, DELAVEAU,FRANCOIS.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G01S7/292 FISICA.G01 METROLOGIA; ENSAYOS.G01S LOCALIZACION DE LA DIRECCION POR RADIO; RADIONAVEGACION; DETERMINACION DE LA DISTANCIA O DE LA VELOCIDAD MEDIANTE EL USO DE ONDAS DE RADIO; LOCALIZACION O DETECCION DE PRESENCIA MEDIANTE EL USO DE LA REFLEXION O RERRADIACION DE ONDAS DE RADIO; DISPOSICIONES ANALOGAS QUE UTILIZAN OTRAS ONDAS.G01S 7/00 Detalles de sistemas según los grupos G01S 13/00, G01S 15/00, G01S 17/00. › Extracción de las señales de eco deseadas.

PDF original: ES-2382140_T3.pdf

 

Procedimiento y dispositivos para determinar la respuesta impulsional de canales de propagación que implican emisores, reflectores y sensores fijos o móviles.

Fragmento de la descripción:

Procedimientos y dispositivos para determinar la respuesta impulsional de canales de propagación que implican emisores, reflectores y sensores fijos o móviles La presente invención se refiere a un procedimiento que permite evaluar ciertos parámetros de la respuesta impulsional del canal de propagación de las ondas electromagnéticas o acústicas, cuando esta utiliza unos emisores, sensores y reflectores fijos o móviles, por medio de un función conjunta de ambigüedad Espacio/retardoDistancia/Doppler-cinemático, para la detección y la determinación de los parámetros de posición y de cinemática de los emisores y de los reflectores.

Se utiliza en numerosos campos del electromagnetismo y de la acústica, en detección, en transmisión, en localización y navegación, con el fin de mejorar el conocimiento del medio de propagación, de mejorar por consiguiente los tratamientos de las señales útiles, la ingeniería de las redes de radiocomunicación y de radiodifusión, el control aéreo, el control de las costas, etc.

Se puede aplicar para la auto localización de un sistema de recepción que aplica la invención.

Se utiliza, por ejemplo, para los emisores, reflectores y los sensores fijos o móviles en electromagnetismo y en acústica.

Los sistemas de medición de propagación, de sondeo, de detección y localización de reflectores electromagnéticos o acústicos convencionales son en la mayor parte de los casos activos y utilizan, en general:

- un barrido mecánico con una antena directiva (reflector parabólico por ejemplo) , o un barrido electrónico con un haz formado a partir de una red de sensores ponderados en fase y en amplitud; y - para cada posición de rastreo (o celda espacial) del haz:

o la emisión de señales conocidas, ya sean continuas, o por impulso, o en forma de trenes de impulsos conocidos;

o el cálculo de una función de ambigüedad Distancia/Velocidad basada, en el caso de señales de banda estrecha, en la correlación, con las señales emitidas, de las señales observadas en la salida de antena y desplazadas en tiempo y frecuencia, y basada en el caso de señales de banda ancha, en la correlación, con las señales emitidas, de las señales observadas en la salida de antena retardadas, desplazadas en frecuencia, comprimidas en tiempo y en frecuencia;

- para cada celda distancia/doppler

o un ajuste de umbral para una probabilidad de falsa alarma determinada;

o una comparación con el umbral de la función de ambigüedad.

La particularidad principal de este funcionamiento es el desacoplamiento entre el análisis espacial (el barrido de un haz) y el análisis distancia/velocidad o retardo/Doppler. Este desacoplamiento engendra la necesidad de aplicar de manera sistemática un análisis distancia/velocidad para cada posición del haz, tenga o no unos emisores en el haz, tenga o no unos reflectores en el haz.

Por otra parte, el rastreo de un haz supone de manera implícita una propagación en espacio libre (sin multitrayectos) y requiere, para el barrido electrónico, un dominio del diagrama de antena (modelo de los elementos radiantes y de la red, calibrado de la red de sensores, etc.) .

Por otra parte, para una celda dada espacio/distancia/doppler, el ajuste del umbral precisa una estimación previa del nivel de ruido a partir de la observación de las celdas espacio/distancia/Doppler sin reflectores, lo que puede resultar difícil de llevar a cabo y con muchos cálculos. Además, en presencia de interferencias, se deben insertar en la recepción unas técnicas de rechazo de interferencias mediante filtrado espacial para cada posición del haz explorado, el cual se vuelve de este modo atrapaondas y resistente a las interferencias. No obstante, al tener el haz explorado una cierta anchura angular, inversamente proporcional a la abertura de la antena o de la red (en número de longitudes de onda) , el rechazo de las interferencias para una celda espacial dada se puede acompañar del rechazo de los ecos reflectores presentes en esta misma celda. Por esta razón, se deben integrar en los tratamientos unas técnicas de robustificación que impidan el rechazo de los reflectores que hay que medir al precio de una pérdida potencial de resultados en el rechazo de las interferencias y de un aumento de la complejidad en su aplicación.

El problema de la medición de propagación o de la detección electromagnética o acústica consiste en detectar la presencia de la señal emitida s (kTe) durante un periodo determinado 0 º k º K-1, y en estimar el vector canal hs (relativo a una recepción multisensores y que corresponde al vector director de la posición del reflector o del emisor para una propagación en espacio libre) , el retardo IoTe (suponiendo para simplificar que es un múltiplo del periodo de muestreo, pero esto no es obligatorio ni excluyente) y la desviación Doppler Ifo = moIKTe (la resolución en frecuencia siendo 1/KTe, se supone para simplificar que la desviación Doppler es un múltiplo de esta resolución) , a partir del conocimiento de la señal emitida y de la observación de versiones desfasadas y desplazadas en frecuencia de los vectores x (kTe) de las señales recibidas en el sensor.

En el caso de una aplicación de medición de propagación o de detección clásica en electromagnetismo o en ! j<s

acústica, los receptores convencionales suponen una propagación en espacio libre, es decir hSes y escrutan el espacio, dirección por dirección o vector s por vector s, con un resolución que corresponde a la anchura de lóbulo (por lo general la anchura de lóbulo « de 3 dB ») del haz formado por la red utilizada, donde hS es el vector de las respuestas por impulso de los canales asociados a la dirección del reflector, y <s y s corresponden respectivamente a la fase y al vector director del emisor o del reflector. Esto define la noción de celda espacial ya mencionada, habitualmente empleada por los expertos en la materia. Por otra parte, le estimación del retardo IoTe se realiza con una resolución igual a 1/Be, la cual es nominalmente función (generalmente proporcional) de la inversa de la banda equivalente, Be, de la señal emitida, dicha inversa define también la resolución en distancia. Esto define la noción de celda de distancia ya mencionada y que habitualmente emplean los expertos en la materia. Por último, la resolución de la estimación de la desviación Doppler es función (generalmente proporcional) de la inversa de la duración de observación elemental, es decir de la inversa de la duración KTe de la señal emitida. Esto define la noción de celda Doppler ya mencionada que emplean de forma habitual los expertos en la materia.

La técnica anterior describe diferentes estructuras de recepción. En general, la estructura de recepción de un detector óptimo depende de los datos disponibles a priori sobre los canales de propagación de las señales que proceden de los emisores y reflectores que hay que detectar y sobre el ruido global, el cual comprende el ruido térmico de los receptores y las interferencias potenciales [1]. Los receptores convencionales que se utilizan en detección electromagnética [2] o acústica [4], los cuales escrutan el espacio mediante barrido electrónico o mecánico de un haz y llevan a cabo un análisis espacial posterior y desacoplado del análisis Distancia/Doppler, suponen, en general, de forma implícita o explícita, para cada posición del haz y cada celda de Distancia/Doppler escrutada:

- una propagación en espacio libre;

- la dirección escrutada conocida;

- el ruido global gaussiano, circular y desconocido;

- las señales que proceden de emisores o de reflectores débiles con respecto al ruido de fondo;

- la fase desconocida de las señales que proceden de los emisores o de los reflectores.

Estos receptores solo se muestran óptimos bajo estas hipótesis.

El contenido técnico de la patente EP 1 500 951 se refiere a un procedimiento para detectar y localizar unos objetos móviles utilizando la radiación que producen unos emisores presentes en el entorno para otras aplicaciones.

El objeto de la invención es sustituir en las estructuras convencionales anteriores una estructura de recepción que permita paliar al menos los inconvenientes de los sistemas ya mencionados. Esta consiste, en particular, en realizar un acoplamiento del análisis espacial y del análisis retardo-distancia/Doppler-cinemático en un proceso conjunto. Pone en marcha un tratamiento acoplado/conjunto... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento para determinar uno o varios parámetros de la respuesta impulsional de un canal de propagación que implica unos emisores, unos reflectores o unos sensores fijos o móviles, para detectar y para determinar los parámetros de posición y de cinemática de estos emisores y reflectores, en un sistema que consta de N sensores que reciben unas señales procedentes de dichos emisores o de la reflexión en dichos reflectores, con N superior o igual a 2 y que consta al menos de las siguientes etapas:

- Utilizar el acoplamiento del análisis espacial y del análisis retardo-distancia/Doppler-cinemático con el fin de determinar una función de ambigüedad;

- Determinar al menos una estadístico suficiente (l, m, K) correspondiente a la correlación entre la señal conocida s (kTe) que corresponde a la envolvente compleja de la señal emitida, muestreada en el periodo Te, considerada en un intervalo de integración de K muestras (índice k = 0, …K-1) , al cual se le hace experimentar una eventual transformación ligada a las hipótesis sobre las posiciones y cinemáticas de los emisores receptores y reflectores y sobre las fluctuaciones de la propagación, y la salida de un filtro espacial w (I, m) , donde I simboliza un conjunto de hipótesis temporales y donde m simboliza un conjunto de hipótesis frecuenciales, que toma en la entrada las observaciones xm ( (k+I) Te) , 0 : k : K-1, a su vez muestreadas en el periodo Te, determinar los valores del par (I, m) comparando el valor del estadístico (l, m, K) para el par (l, m) con un valor umbral de detección, y que se caracteriza porque, para los casos en los que los parámetros temporales que simboliza I se reducen a un retardo o a una distancia, y donde los parámetros cinemáticos que simboliza m se reducen a un Doppler o a una velocidad relativa, el procedimiento consta al menos de las etapas siguientes:

para cada hipótesis retardo I y cada hipótesis Doppler m, m como índice de las variables xm y rxms (el tiempo de integración siendo como máximo KTe, la resolución y el paso de muestreo a Doppler se pueden tomar en 1/KTe, y la desviación Doppler estimada es entonces un múltiplo de 1/KTe que se caracteriza por el índice m = 0, …, K-1) ;

- Estimar el vector xms (lTe) a partir de las K muestras conocidas, s (kTe) , de la señal emitida y de las K observaciones separadas en frecuencias, xm ( (k+I) Te) = x ( (k+I) Te) exp[-j2Tm (k+I) /K], 0 : k : K-1, mediante el estadístico:

- Estimar la matriz xm (ITe) a partir de las K observaciones separadas en frecuencias, xm ( (k+l) Te) = x ( (k+l) Te) exp[-j2nm (k+l) /K], 0 k K-1, mediante el estadístico:

- Calcular el estadístico suficiente:estimación en el sentido de los menores cuadrados de la potencia media de la señal conocida, 40 - dicho procedimiento caracterizándose porque consta al menos de las etapas siguientes: Calcular el estadístico suficiente donde s es el vector director de la señal que procede del emisor o del reflector

- Ajustar el umbral de detección para una probabilidad de falsa alarma dada; - Comparar el valor del estadístico (I, m, s, K) en el umbral de detección fijado y en el caso de que se supere este valor umbral, decretar la detección del reflector en la celda distancia/Doppler (I, m) y la celda 5 espacial s; - Estimar el retardo y la distancia relativos del emisor o del reflector a partir de I; - Estimar el Doppler y a velocidad relativas al emisor o del reflector a partir de m; - Estimar la posición angular del emisor o del reflector a partir de s.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, que se caracteriza porque en los casos más complejos, 2A) se introduce en la definición de los parámetros temporales, como retardos-posiciones simbolizados por I, en la definición de los parámetros frecuenciales, como Doppler-cinemático, simbolizados por m, y en la de la señal conocida s en cada hipótesis I y m, las variables y las transformaciones de la señal inducidas por los movimientos del emisor, del receptor o del reflector, así como por las fluctuaciones del canal de propagación, que depende de la hipótesis retardo-posición, de la hipótesis Doppler-velocidad relativa, del tiempo de integración del tratamiento, de la banda equivalente de la señal, de la duración equivalente de la señal y de su periodicidad cuando esta es impulsiva durante el tiempo de integración del tratamiento, de la fluctuación del retardo en este tiempo, de la fluctuación del Doppler en este tiempo;

2B) se utiliza la señal sl, m que se obtiene a partir de la transformación de s en función de las hipótesis temporales simbolizadas por l y unas hipótesis frecuenciales simbolizadas por m.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, que se caracteriza porque la fluctuación del retardo es una fluctuación modelizada en el primer orden mediante un tramo temporal.

4. Procedimiento según la reivindicación 2, que se caracteriza porque la fluctuación del Doppler se modeliza en el primer orden mediante un tramo Doppler.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 y 2, que se caracteriza porque la detección de un emisor o

de reflector cuya señal experimenta unas altas interferencias, se utiliza una señal x'm ( (k+l) Te) y una réplica s' en lugar de la señal de entrada xm ( (k+l) Te) y de la réplica original s, la señal x'm ( (k+l) Te) obteniéndose a partir de la señal xm ( (k+l) Te) y la réplica habiéndose obtenido a partir de la réplica original s o de la réplica transformada sl, m por medio de operaciones que hacen que intervengan unos filtros espacio-temporales mejoradores como los siguientes:

5A) para cada emisor que interfiere:

estimación de la respuesta impulsional gint del filtro de propagación del emisor interferente del receptor según una estimación Sint» de su señal emitida sint mediante la minimización del criterio considerando la réplica Sint» = (sint» ( (I0+I) Te) , sint» ( (I0+I+1) Te) , ..., sint» ( (I0+I+L-1) Te) ) T que se obtiene o bien mediante el total conocimiento a priori de la señal interferente original, con sint * = sint, o bien mediante el conocimiento parcial a priori de la señal interferente original, con sint» = sint en un número K» de muestras en el periodo Te, o bien mediante la demodulación/ecualización de la señal interferente original mediante cualquier medio habitual para el experto en la materia con sint» " sint, o considerando la réplica transformada Sint, m, l» = (Sintm, l» ( (I0+I) Te) , sint» ( (I0+I+1) Te) , ..., sint» ( (I0+I+L-1) Te) ) T teniendo en cuenta una hipótesis I, m en la posición y la cinemática del emisor que interfiere produciendo Sint.

5B) para uno o varios emisores interferentes fijos o de cinemática conocida, y seleccionados en función de su estabilidad en frecuencia y en tiempo;

se introducen en la réplica Sint diferentes hipótesis en frecuencia y se utilizan las recurrencias presentes en la réplica con el fin de estimar con precisión en grandes longitudes de integración K las desviaciones en frecuencia y en tiempo en relación con el emisor interferente, se estiman unas derivadas relativas al emisor 45 interferente de los osciladores locales de los mezcladores y de los relojes del sistema de recepción y de muestreo de las señales utilizadas para llevar a cabo la invención.

6. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 5, que se caracteriza porque durante la etapa 5B: se actualiza el filtro de propagación gint (etapa 5A) asociado al emisor interferente, y 6A) para cada emisor interferente, se ejecuta una convolución de la señal interferente original Sint o transformada sintm, l mediante el filtro de propagación gint que está asociado a esta, se sustrae la señal resultante de esta operación en la señal total recibida;

6B) se compensan unas derivadas en frecuencia y en tiempo

- ya sea en la señal resultante de xm ( (k+I) Te) tras las operaciones anteriores, con el fin de producir la señal x'm ( (k+I) Te) , s manteniéndose sin cambios (s' = s) ;

- ya sea en la señal de réplica que se utiliza en el procedimiento, s de acuerdo con la reivindicación

(1) que se convierte de este modo en s', sm, l de acuerdo con la reivindicación (2) que se convierte de este modo en sm, l';

6C) se ponen en marcha las etapas de acuerdo con la reivindicación 1 con x'm y s';

6D) se ponen en marcha las etapas de acuerdo con la reivindicación 2 con x'm y sm, l'.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1, 2 y 5, que se caracteriza porque se utiliza un vector de observación

m ( (k+l) Te) ! [xm ( (k+l) Te) T, xm ( (k+l) Te) †]T compuesto por el vector de observación y por su compuesto conjugado y porque se ponen en marcha las etapas de las reivindicaciones 1 y 2 a partir de

m ( (k+l) Te) en lugar de xm ( (k+l) Te) .

8. Procedimiento según la reivindicación 7, que se caracteriza porque se dispone, además, de una referencia de ruido total y porque se ponen en marcha las etapas de la reivindicación 1 y 2 utilizando una estimación de la matriz extendida sola de ruido total, Tm (ITe) , que se obtiene por medio de las muestras de referencia de ruido solo, en lugar de una estimación de la matriz de correlación extendida de las observaciones, xm (ITe) , donde m ( (k+l) Te) ! [bm ( (k+l) Te) T, bm ( (k+l) Te) †]T.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1, 2, 3, 4 u 8, en el que las señales emitidas son casi rectilíneas tras la desrotación y las interferencias no circulares, o en el que los canales de propagación se escalonan en el tiempo, que se caracteriza porque se utilizan unos vectores espacio-temporales desrotados para las modulaciones !

casi-rectilíneas o no desrotadas para las modulaciones rectilíneas con L tomas temporales dm, st ( (k+l) Te) [ dm ( (k+ (L-1) /2) Te) T, ..., dm ( (k- (L-1) /2) Te) T]T si L es impar y dm ( (k + L/2) Te) T , ..., dm ( (k - L/2) Te) T]T si L es par, donde x~dm ( (k+l) Te) ! [x~dm ( (k+l) Te) T, xdm ( (k+l) Te) †]T , dm, st ( (k+l) Te) !

 

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