Método para la reducción del desenfoque angular en imágenes de radar.

Método para la reducción del desenfoque angular debido a la anchura del haz del radar en imágenes de radar logradas en sistemas de detección basados en bins de distancias en los que la amplitud de la potencia S (x) es medida como una función de una posición angular x a una cierta distancia,

comprendiendo:

la determinación en cada bin de distancias, en el caso de una serie de posiciones angulares x, de una expresión del tipo

x0 ≥ x + q/c / (rc (1 + q/c) + 1)

ó

x0 ≥ x + (l/d) ·arctan (q/ (2·d) ),

en las que

c es una constante que determina la forma de un polinomio de segundo orden utilizado para realizar la aproximación de la forma del haz,

d es una constante que determina la forma de una aproximación a la forma del haz según S (x) ≥ k·cos2 (d· (x -x0) ), siendo k una amplitud,

q es la relación q ≥ S’ (x) / S (x), siendo S’ (x) la primera derivada dS/dx de S (x), y x0 es una posición angular corregida; y

se desplaza S (x) desde la posición angular x a la posición angular corregida x0 mediante la adición a S (x0) .

Método para la reducción del desenfoque angular en imágenes de radar

La presente invención se refiere a un método para la reducción del desenfoque angular en imágenes de radar.

Un radar funciona mediante la radiación de ondas electromagnéticas procedentes de una antena, y detectando las ondas reflejadas (los ecos) por los objetos próximos al radar. Muy a menudo, el radar puede distinguir ecos de objetos a distancias diferentes, y de este modo obtiene una resolución de la distancia. A menudo, la medición de la distancia es discontinua, en el sentido de que los valores medidos de las distancias no varían de forma continua, sino que adoptan más bien un valor dentro de un conjunto predeterminado de valores, muy a menudo equidistantes. La explicación siguiente está limitada a dichos radares, con una medición con valores discontinuos de las distancias (“bins” de distancias) .

Para vigilar una zona amplia, muchos radares de búsqueda tienen una antena de exploración, muy a menudo giratoria, para abarcar todas las direcciones, o que se desplaza hacia atrás y hacia adelante para cubrir un sector, por ejemplo, en sentido acimutal. En este caso, el radar recibe ecos en cada posición angular desde todos los bins de distancias estudiados (en algunos bins de distancias puede no existir eco) . Si el radar es pulsante, la detección se realiza solamente en posiciones angulares discontinuas, una para cada impulso.

En este caso, la amplitud recibida (o potencia) de los ecos del radar puede ser mostrada como una imagen de radar con un conjunto finito de elementos de la imagen del radar (píxeles) . En la mayor parte de casos, la imagen de radar de un sector cartesiano se presenta como un rectángulo en coordenadas polares con un número finito de posiciones angulares a lo largo del eje horizontal y un número finito de bins de distancias a lo largo del eje vertical (esta presentación se denomina presentación en “ámbito B”) . Para mayor comodidad, muy a menudo se presenta el logaritmo de las amplitudes (potencias) (escala en decibelios, dB) .

La explicación siguiente está limitada a un radar con datos presentados como dichas imágenes rectangulares de ámbito B con un número finito de píxeles. La coordenada angular se considera que en general es un acimut al realizar la antena de radar la exploración alrededor de un eje vertical, pero asimismo es posible en elevación.

La sensibilidad del radar es máxima en la dirección determinada por la antena. En la mayor parte de casos, esta dirección es frente a la antena. Dado que la anchura física de la antena es un número limitado de longitudes de onda que corresponden a la frecuencia utilizada, el haz principal de la antena, en el que la sensibilidad es máxima, no es infinitamente estrecho, sino que tiene una cierta anchura angular. El radar recibe un eco de un objeto, no solo cuando la antena está orientada directamente hacia el objeto, sino también cuando la antena está orientada ligeramente a la derecha del objeto, cuando el objeto está iluminado por la parte izquierda del haz principal de la antena y, cuando la antena está orientada ligeramente a la izquierda del objeto, cuando el objeto está iluminado por la parte derecha del haz principal de la antena. Un pequeño reflector del radar (en forma de punta) , proporciona de este modo ecos en todo el alcance angular del haz principal del radar.

Dado que existen (en caso de duplicidad, en caso de análisis Doppler, o por otros motivos) diversas posiciones angulares utilizadas (diversos impulsos transmitidos) para cada anchura del haz principal de la antena del radar, la consecuencia es que en la coordenada angular se consiguen imágenes desenfocadas del radar. Este desenfoque hace que el análisis de la imagen del radar sea más difícil. Resulta que no es trivial la determinación del ángulo con respecto a un blanco del radar, incluso si el blanco tiene forma puntual, y resulta difícil la comparación entre la imagen del radar y una imagen de la misma zona por medio de otro sensor con características diferentes (posiblemente otro radar) .

Existe una serie de métodos para reducir el desenfoque angular, y a continuación se comentarán algunos rasgos importantes de dichos métodos.

Según una primera técnica principal los métodos están basados en la desconvolución. Dado que el desenfoque puede ser considerado el resultado de la convolución de una imagen sin desenfoque con el haz de la antena, en teoría, puede ser eliminado realizando una transformación de Fourier de la imagen en dirección angular, dividiendo el esquema de la antena con la transformación de Fourier y realizando, a continuación, una transformación de Fourier inversa. Lo racional es que la transformación de Fourier convierta la convolución en multiplicación.

Según una segunda técnica principal, se comentan los métodos dentro de un radar general. Frecuentemente, datos tales como los de la figura 1, que muestran una imagen de radar medida de un sector cartesiano en escala de dB con posiciones angulares a lo largo del eje horizontal y “bins” de distancias a lo largo del eje vertical, pasan a través de un “extractor de blancos” que a menudo trabaja mediante la definición de un “blanco” como un máximo local con una amplitud que sobrepasa un umbral definido de una manera adecuada. A continuación, en un “bin” de distancias dado, se define la posición angular del blanco como la posición en la que se consigue el máximo. Puede calcularse una posición angular más exacta ajustando una curva adecuada tal como una parábola, con la posición angular como la variable independiente, a los datos próximos al máximo local, y calcular la posición angular del máximo de la parábola ajustada. En particular, no es difícil ajustar una parábola a los tres puntos más próximos al máximo local, con las mayores amplitudes, en particular si las posiciones angulares son equidistantes. Para ajustar una parábola a más de tres puntos, puede utilizarse un cálculo con el procedimiento de los mínimos cuadrados.

Este procedimiento, en general, funciona bien para el seguimiento de un número limitado de blancos, pero no siempre es practicable para eliminar el desenfoque de una imagen entera, para su presentación o para otros propósitos.

Según una tercera técnica principal, se utiliza un radar móvil. En el caso de radares aerotransportados, los métodos avanzados tales como el radar de apertura sintética (Synthetic Aperture Radar) , (SAR, [LHMN cap. 15]) en su forma más simple “Adelgazamiento del haz mediante Doppler” (Doppler Beam Sharpening) [LHMN p. 260], utiliza un radar móvil con medición de la velocidad radial del radar (Doppler) y un tratamiento avanzado de la señal para obtener una “imagen” muy delgada de la parte controlada del terreno (no siempre descrita como un rectángulo en coordenadas polares) . En esta descripción, se utiliza LHMN como una referencia abreviada a “Una introducción a sistemas de radar aéreos y aerotransportados Lacomme/Hardange/Marchais/Normant”, (Lacomme/Hardange/Marchais/Normant, Air and Spaceborne Radar Systems. An Introduction) . ISBN 1 -891121 -13 -8, SciTech Publishing 2001.

Según una cuarta técnica principal, los métodos para la reducción del desenfoque angular presuponen un tipo particular de antena de radar, tal como una antena monoimpulso o una agrupación de antenas.

Los radares de seguimiento son radares que pueden medir en cuanto difiere la dirección de la antena del radar (la alineación) de una dirección deseada (la diferencia se denomina generalmente ángulo de error) . Los radares de seguimiento se utilizan para apuntar cañones, guiar misiles, mantener una antena siguiendo un satélite de comunicaciones, etc. En general, un radar de seguimiento utiliza una antena monoimpulso [Sherman]. En esta descripción se utiliza Sherman como una referencia abreviada a “Sherman, Principios y técnicas de los monoimpulsos” (Monopulse Principles and Techniques) , ISBN 0-89006-137-8, Artech House 1984. Una antena monoimpulso puede utilizar, por lo menos, dos disposiciones de antena, una disposición de suma con su direccionalidad máxima en la dirección de la antena y una disposición de diferencia que es sensible a blancos ligeramente desviados de la dirección de la antena. Existe una disposición de diferencia para cada variable angular utilizada (acimut, elevación) . La figura 3 muestra disposiciones típicas de suma y de antena ([Sherman p. 138]) . En la... [Seguir leyendo]

1. Método para la reducción del desenfoque angular debido a la anchura del haz del radar en imágenes de radar logradas en sistemas de detección basados en bins de distancias en los que la amplitud de la potencia S (x) es medida como una función de una posición angular x a una cierta distancia, comprendiendo:

la determinación en cada bin de distancias, en el caso de una serie de posiciones angulares x, de una expresión del tipo

x0 = x + q/c / (rc (1 + q/c) + 1)

ó

x0 = x + (l/d) ·arctan (q/ (2·d) ) ,

en las que

c es una constante que determina la forma de un polinomio de segundo orden utilizado para realizar la aproximación de la forma del haz,

d es una constante que determina la forma de una aproximación a la forma del haz según S (x) = k·cos2 (d· (x -x0) ) , siendo k una amplitud,

q es la relación q = S’ (x) / S (x) , siendo S’ (x) la primera derivada dS/dx de S (x) , y x0 es una posición angular corregida; y

se desplaza S (x) desde la posición angular x a la posición angular corregida x0 mediante la adición a S (x0) .

2. Método, según la reivindicación anterior, caracterizado porque las derivadas son estimaciones numéricas a partir de los valores medidos de S (x) .

3. Método, según la reivindicación 2, caracterizado porque para la estimación de las derivadas S’ (x) se utilizan diferencias finitas en la dirección angular fS/fu.

4. Método, según la reivindicación 3, caracterizado porque se utilizan diferencias finitas promediadas o filtradas contra el paso de bajas frecuencias.

5. Método, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la información de la variable S (x) solamente se utiliza para unos valores tales de x en los que la variable S (x) sobrepasa un cierto umbral t dado.