Obtención de imágenes por radar de una escena en el campo lejano de una red de radares unidimensional o bidimensional.

Procedimiento de obtención de imágenes por radar de una escena en el campo lejano de una red de radares unidimensional,

que comprende proporcionar una serie de datos de retrodispersión D (fm, x'n) de dicha escena, estando asociados dichos datos de retrodispersión a una pluralidad de posiciones de la red de radares x'n, n=0... N1, N>1, separadas de manera regular a lo largo de un eje de dicha red de radares;

muestreándose los datos de retrodispersión, para cada posición de la red de radares x'n, a frecuencias diferentes fm, m=0...M-1, M>1, definidas por fm=fc-B/2+m·Mf, en la que fc representa una frecuencia central, B un ancho de banda y Mf un paso de frecuencia;

calcular una imagen de reflectividad de radar I (am', 1n') en un sistema de coordenadas pseudopolares, en el que las coordenadas a y de un punto de dicha escena pueden expresarse mediante las ecuaciones:

en las que p indica una distancia de alcance desde un centro de la red de radares hasta dicho punto, x indica una coordenada, con respecto a dicho eje, de una proyección ortogonal de dicho punto en dicha red de radares unidimensional, c indica la velocidad de la luz, y Ic una longitud de onda central del radar, realizándose dicho cálculo de dicha imagen de reflectividad de radar I (am', 1n') basándose en la siguiente fórmula:

en la que j representa la unidad imaginaria, FFT2D indica un operador de transformada rápida de Fourier 2D, am', m'=0...M-1, y n', n'=0...N-1 representa una retícula regular en dicho sistema de coordenadas pseudopolares, y Pmax se seleccionaº 0 dependiendo de una precision predefinida que va a lograrse.

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2009/055359.

Solicitante: THE EUROPEAN UNION, REPRESENTED BY THE EUROPEAN COMMISSION.

Nacionalidad solicitante: Bélgica.

Dirección: RUE DE LA LOI, 200 1049 BRUSSELS BELGICA.

Inventor/es: FORTUNY-GUASCH,Joaquim.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • G01S13/32 SECCION G — 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 13/00 Sistemas que utilizan la reflexión o la rerradiación de ondas de radio, p. ej. sistemas de radar; Sistemas análogos que utilizan la reflexión o la rerradiación de ondas cuya naturaleza o longitud de onda sea irrelevante o no especificada. › que utilizan la transmisión de ondas continuas no moduladas, ondas moduladas en amplitud, en frecuencia o en fase.
  • G01S13/90 G01S 13/00 […] › que utilizan técnicas de apertura sintética.

PDF original: ES-2377107_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Obtención de imágenes por radar de una escena en el campo lejano de una red de radares unidimensional o bidimensional

Campo técnico

La presente invención se refiere en general a la obtención de imágenes por radar de una escena ubicada en el campo lejano de una apertura de radar, más particularmente a un procedimiento para convertir una imagen de radar a partir de datos de radar sin procesar.

Antecedentes de la técnica

La presente invención puede aplicarse para la reconstrucción de imágenes a partir de datos de radar adquiridos por un radar de apertura sintética (SAR) o mediante una red de radares física. SAR es una técnica bastante conocida y bastante desarrollada para producir imágenes de alta resolución [1], [2]. Se utiliza de manera operativa un gran número de algoritmos de obtención de imágenes en diferentes dominios de aplicación civiles y militares [3]. Un requisito común para tales algoritmos es el de producir formación de imágenes con la mayor resolución posible. Se conoce bien que los límites de la resolución en alcance y alcance cruzado se dictan, respectivamente, por el ancho de banda de frecuencia y la dimensión física de la apertura de radar. En la práctica, un criterio para evaluar lo óptimo que es un sistema de SAR es comparar la resolución de alcance cruzado lograda en la formación de imágenes con la dimensión física de la antena del radar. Como ejemplo, en un SAR de mapa en forma de banda, la resolución de alcance cruzado no puede ser más fina que una mitad del tamaño de apertura de la antena física. La mayor parte de los algoritmos de obtención de imágenes por radar actualmente en uso se han concebido para sistemas de SAR con una longitud de apertura óptima. Hasta la fecha, el interés en los sistemas de obtención imágenes por radar con longitudes de apertura subóptimas ha sido muy limitado. El centro de atención de esta invención está en el problema de implementar un algoritmo de obtención de imágenes rápido y preciso con una longitud de apertura sumamente subóptima, por ejemplo en un sistema de radar que presenta una longitud de apertura de algunos metros y que ilumina una escena de imagen que abarca algunos kilómetros cuadrados ubicados dentro del campo lejano de la apertura de radar. Este escenario es bastante diferente de los del SAR espacial y aéreo. En particular, los algoritmos de obtención de imágenes utilizados con longitudes de apertura óptimas (normalmente algunas decenas de kilómetros de largo en el caso de SAR espacial) , tal como los algoritmos de migración de alcance y de cambio a escala de chirrido [4], [5], no satisfacen determinados requisitos encontrados con una apertura de radar subóptima. El algoritmo de formato polar o de alcance-Doppler también se ha descartado debido a la distorsión geométrica producida por el mismo en la formación de imágenes [6]. Este algoritmo sólo puede utilizarse con extensiones de imágenes mucho más pequeñas que el alcance al centro de la escena y, por tanto, no es apropiado para todos los escenarios de interés. En [26], Averbuch et al. dan a conocer un procedimiento para manipular la transformada de Fourier en coordenadas polares, que utiliza una herramienta central, una denominada FFT pseudopolar, en el que las frecuencias de evaluación se basan en un conjunto de sobremuestreo de puntos separados de manera equidistante no angularmente. La transformada pseudopolar desempeña el papel de un sistema casi polar desde el cual la conversión a coordenadas polares utiliza procesos que se basan sólo en FFT unidimensional y operaciones de interpolación.

Un campo de aplicación ejemplo para un radar de obtención de imágenes subóptimo es el de SAR terrestre (GB-SAR) , que se utiliza actualmente para monitorizar el desplazamiento de desprendimientos de tierra con precisión submilimétrica [7], [8]. En lo últimos años, el Centro Común de Investigación de la Comisión Europea ha sido pionero de esta tecnología y ha llevado a cabo un enorme número de campañas de campo que han demostrado su utilización operacional [9], [10]. Esta actividad ha dado como resultado un archivo masivo de datos de GB-SAR con más de 300.000 conjuntos de datos sin procesar recogidos de diversos sitios. Normalmente, un sitio monitorizado de manera permanente con uno de estos instrumentos de GB-SAR produce un total de 35.000-40.000 conjuntos de datos sin procesar en todo un año. Una motivación de este trabajo procede de la necesidad de tener una cadena de procesamiento de GB-SAR eficaz y precisa de manera computacional para hacer frente a este enorme volumen de datos.

Problema técnico

Un objetivo de la presente invención es proporcionar un procedimiento de obtención de imágenes por radar de una escena, que puede implementarse de una manera computacionalmente eficaz. Este objetivo se alcanza mediante un procedimiento según la reivindicación 1 ó 7.

Descripción general de la invención

El procedimiento según la invención presenta dos variantes, dirigidos al caso “bidimensional” (“2D”) y al caso “tridimensional” (“3D”) , respectivamente. Ambas variantes comprenden el cálculo de una imagen de reflectividad de radar basada en un desarrollo en serie de imágenes. En la primera variante, los datos de radar sin procesar provienen de una red de radares unidimensional, mientras que, en la segunda variante, provienen de una red de radares bidimensional. En ambas variantes del procedimiento, la red de radares puede ser una red de radares de apertura sintética o una red de radares física. En ambas variantes, la escena de interés de la que van a obtenerse en la que p indica la distancia desde el centro de la red de radares hasta un punto arbitrario dentro de la escena de interés, Lx la longitud de la red de radares a lo largo de su primer eje y Ly la longitud de la red de radares a lo largo de su segundo eje (en el caso de una red de radares 2D) , y Ic la longitud de onda central del radar.

Volviendo a la primera variante, un procedimiento de obtención de imágenes por radar de una escena en el campo lejano de una red de radares unidimensional, comprende proporcionar una serie de datos de retrodispersión D (fm, x'n) de la escena, estando asociados estos datos de retrodispersión a una pluralidad de posiciones x'n, n=0... N-1, N>1, que están separadas de manera regular a lo largo de un eje de la red de radares. Se muestrean los datos de retrodispersión para cada posición de la red de radares x'n en dominio de frecuencia, a frecuencias diferentes fm, m=0...M-1, M>1, definidas por fm=fc-B/2+m-Mf, en la que fc representa la frecuencia central, B el ancho de banda y Mf el paso de frecuencia del muestreo. Según la presente variante de la invención, se calcula una imagen de reflectividad de radar I (am', 1n') en un sistema de coordenadas pseudopolares basándose en la fórmula:

en las que -j representa la unidad imaginaria, ^

- f m = -B/2+m·Mf es la frecuencia de banda base, -FFT2D indica el operador de transformada rápida de Fourier 2D, -am', m'=0...M-1, y 1n', n'=0...N-1 representan una retícula regular en el sistema de coordenadas pseudopolares, y -Pmax se elige º 0 dependiendo de una precision predefinida que va a lograrse;

o cualquier fórmula matemáticamente equivalente.

Los expertos apreciarán que la presente invención utiliza un desarrollo en serie para aproximar la imagen de reflectividad en un sistema de coordenadas pseudopolares, es decir se calculan los diferentes términos de la serie hasta el orden predefinido Pmax y entonces se resumen estos términos (si Pmax º 1) . A continuacion se hara referencia al procedimiento en resumen como el algoritmo de formato pseudopolar de campo lejano, abreviado FPFA. En la práctica, una serie de orden 0 puede ser suficiente para obtener una buena aproximación de la reflectividad en la retícula pseudopolar. En este caso, Pmax=0 y por tanto En el caso particular de utilizar sólo el desarrollo en serie de orden 0, el coste computacional del FPFA es O (N M log2M) , que es el menor valor posible que podría esperarse para tal algoritmo de obtención de imágenes. Como ejemplo, con n=N=M=2048, el FPFA presenta un coste computacional tres órdenes de magnitud menor que el del algoritmo de retropropagación de dominio de tiempo (TDBA) , y seis órdenes de magnitud menor que el del algoritmo de retropropagación de dominio de frecuencia (FDBA) . Por tanto, el beneficio de utilizar el FPFA es evidente. Se observará que la adición de más términos en el desarrollo en serie, evaluándose todos con transformadas de FFT 2-D, es sencilla y no aumenta el coste computacional de manera significativa. Por tanto,... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Procedimiento de obtención de imágenes por radar de una escena en el campo lejano de una red de radares unidimensional, que comprende proporcionar una serie de datos de retrodispersión D (fm, x'n) de dicha escena, estando asociados dichos datos de retrodispersión a una pluralidad de posiciones de la red de radares x'n, n=0... N1, N>1, separadas de manera regular a lo largo de un eje de dicha red de radares;

muestreándose los datos de retrodispersión, para cada posición de la red de radares x'n, a frecuencias diferentes fm, m=0...M-1, M>1, definidas por fm=fc-B/2+m·Mf, en la que fc representa una frecuencia central, B un ancho de banda y Mf un paso de frecuencia;

calcular una imagen de reflectividad de radar I (am', 1n') en un sistema de coordenadas pseudopolares, en el que las coordenadas a y de un punto de dicha escena pueden expresarse mediante las ecuaciones:

en las que p indica una distancia de alcance desde un centro de la red de radares hasta dicho punto, x indica una coordenada, con respecto a dicho eje, de una proyección ortogonal de dicho punto en dicha red de radares unidimensional, c indica la velocidad de la luz, y Ic una longitud de onda central del radar, realizándose dicho cálculo de dicha imagen de reflectividad de radar I (am', 1n') basándose en la siguiente fórmula:

en la que j representa la unidad imaginaria, FFT2D indica un operador de transformada rápida de Fourier 2D, am', m'=0...M-1, y n', n'=0...N-1 representa una retícula regular en dicho sistema de coordenadas pseudopolares, y Pmax se seleccionaº 0 dependiendo de una precision predefinida que va a lograrse.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que dichas posiciones de la red de radares se definen por x'n=-Lx/2+n·Mx', en la que Lx representa una longitud de la red de radares y Mx' la separación entre dichas posiciones de la red de radares.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el que Pmax se selecciona dependiendo de la razón de la longitud de la red de radares con respecto a la resolución de alcance.

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que dicha imagen de reflectividad de radar en dicho sistema de coordenadas pseudopolares se mapea en al menos uno de entre un sistema de coordenadas 10 polares y un sistema de coordenadas cartesianas.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que al menos una de entre una imagen de coherencia y un interferograma de fase 2D se calcula basándose en dicha imagen de reflectividad de radar en dicho sistema de coordenadas pseudopolares.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, en el que dicha al menos una de entre una imagen de coherencia y un interferograma de fase 2D se mapea en al menos uno de entre un sistema de coordenadas polares y un sistema de coordenadas cartesianas.

7. Procedimiento de obtención de imágenes por radar de una escena en el campo lejano de una red de radares bidimensional, que comprende proporcionar una serie de datos de retrodispersión D (fm, x'n, y'k) de dicha escena, estando asociados dichos datos de retrodispersión a una pluralidad de posiciones de la red de radares (x'n, y'k) n=0...N-1, N>1, k=0...K-1, K>1, separadas de manera regular a lo largo de un primer y segundo ejes de dicha red de radares;

muestreándose los datos de retrodispersión, para cada posición de la red de radares (x'n, y'k) a frecuencias diferentes fm, m=0...M-1, M>1, definidas por fm=fc-B/2+m·Mf, en la que fc representa una frecuencia central, B un ancho de banda y Mf un paso de frecuencia;

calcular una imagen de reflectividad de radar I (am', 1n', Yk') en un sistema de coordenadas pseudoesféricas, en el que las coordenadas a, y º de un punto de dicha escena pueden expresarse mediante las ecuaciones:

en las que 40 p indica una distancia de alcance desde un centro de la red de radares hasta dicho punto, x indica una coordenada, con respecto a dicho primer eje, de una proyección ortogonal de dicho punto en dicha red de radares bidimensional, 45 y indica una coordenada, con respecto a dicho segundo eje, de dicha proyección ortogonal de dicho punto en dicha red de radares bidimensional, c indica la velocidad de la luz, y 50 Ic una longitud de onda central del radar, realizándose dicho cálculo de dicha imagen de reflectividad de radar I (am', 1n', Yk') basándose en la siguiente fórmula:

en la que j representa la unidad imaginaria, FFT3D indica un operador de transformada rápida de Fourier 3D, am', m'=0...M-1, n', n'=0...N-1 y Yk', k=0...K-1, representan una retícula regular en dicho sistema de coordenadas pseudoesféricas, y Pmax se selecciona º 0 dependiendo de una precision predefinida que va a lograrse.

8. Procedimiento según la reivindicación 7, en el que dichas posiciones de la red de radares se definen por x'n=-Lx/2+n·Mx' a lo largo de dicho primer eje, representando Lx una longitud de la red de radares a lo largo de dicho primer eje y Mx' la separación entre dichas posiciones de la red de radares a lo largo de dicho primer eje, y por y'k=-Ly/2+k·My' a lo largo de dicho segundo eje, representando Ly una longitud de la red de radares a lo largo de dicho segundo eje y My' la separación entre dichas posiciones de la red de radares a lo largo de dicho segundo eje.

9. Procedimiento según la reivindicación 7 u 8, en el que Pmax se selecciona dependiendo de las razones de las longitudes de la red de radares a lo largo de dicho primer y dicho segundo eje con respecto a la resolución de alcance.

10. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 9, en el que dicha imagen de reflectividad de radar en dicho sistema de coordenadas pseudoesféricas se mapea en al menos uno de entre un sistema de coordenadas esféricas y un sistema de coordenadas cartesianas.

11. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 7 a 10, en el que al menos una de entre una imagen de coherencia y un interferograma de fase 3D se calcula basándose en dicha imagen de reflectividad de radar en dicho sistema de coordenadas pseudoesféricas.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, en el que dicha al menos una de entre una imagen de coherencia y un interferograma de fase 3D se mapea en al menos uno de entre un sistema de coordenadas esféricas y un sistema de coordenadas cartesianas.

13. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dicha imagen de reflectividad se calcula en tiempo real o casi en tiempo real.

14. Producto de programa informático para controlar un aparato de procesamiento de datos, que comprende instrucciones que hacen que dicho aparato de procesamiento de datos lleve a cabo el procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, cuando se ejecuta en dicho aparato de procesamiento de datos.

 

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