Radar de penetración en tierra mediante transmisión de formas de onda basadas en series de secuencias de fase complementaria.

La presente invención trata sobre una nueva técnica de modulación para implementar un radar de penetración en tierra. Dicha invención se fundamenta en la transmisión de una forma de onda especialmente diseñada para esta aplicación. Dicha forma de onda se constituye a partir de un par de secuencias de fase complementaria denominadas series de Golay. Este procedimiento aporta de forma sencilla y eficaz una solución a la problemática existente en los radares de penetración en tierra que concierne al rango dinámico y a la detección de ecos.

Se caracteriza esta invención por disponer de un único generador de secuencias transmitidas en el extremo transmisor del dispositivo. Se dispone asimismo de un único reloj de referencia de fase para controlar la estabilidad de fase y frecuencia de todos los osciladores del sistema.

Se caracteriza además por emplear en transmisión antenas con patrones de radiación conocido como butterfly y Vivaldi que ofrecen una baja distorsión de la señal binaria transmitida.

Se implementa una etapa de recepción basada en la consideración del módulo y fase de la señal recibida. El procesado, implementado en tiempo real o en forma off-line, de la señal recibida y muestreada considera todas las muestras obtenidas en la etapa de conversión analógico-digital con el fin de incrementar la estimación de parámetros propios de un radar de su clase.

Se engloba dicha invención en las técnicas radar denominadas de modulación por ruido o random noise modulated radar. El sector de la técnica al que se refiere es el de radares.

Radar de penetración en tierra mediante transmisión de formas de onda basadas en series de secuencias de fase complementaria.

La presente invención trata sobre una nueva técnica de modulación para implementar un radar de penetración en tierra. Dicha invención se fundamenta en la transmisión de una forma de onda especialmente diseñada para esta aplicación. Dicha forma de onda se constituye a partir de un par de secuencias de fase complementaria denominadas series de Golay. Este procedimiento aporta de forma sencilla y eficaz una solución a la problemática existente en los radares de penetración en tierra que concierne al rango dinámico y a la detección de ecos.

Se engloba dicha invención en las técnicas radar denominadas de modulación por ruido o random noise modulated radar. El sector de la técnica al que se refiere es el de radares.

Antecedentes de la invención

Una técnica genérica de modulación habitualmente usada en sistemas radar es la denominada modulación por ruido (noise modulated radar). Esta técnica ofrece muchas ventajas a los diseñadores de radares de penetración en tierra dada su robustez a las interferencias. Sin embargo, hasta hace pocos años era muy difícil encontrar implementaciones prácticas de estos sistemas. Uno de los principales problemas que conllevan es la zona de ambigüedad y la presencia de lóbulos laterales.

El desarrollo de las técnicas de generación de señales radar aleatorias (random radar signáis) ha impulsado el desarrollo de sistemas basados en este tipo de modulación por ruido. Especialmente ha cobrado importancia la técnica ultrawideband random noise radar (UWB) o radar de ultra gran ancho de banda por ruido aleatorio. Dicha técnica se basa en la transmisión de una forma de onda UWB, como las formas de onda gaussianas.

Otras implementaciones de la técnica de modulación por ruido de ultra gran ancho de banda emplean formas de onda basadas en secuencias pseudoaleatorias binarias de longitud máxima, también conocidas como secuencias PRBS (Pseudo Random Binary Sequences) o M-secuencias, donde M denota la longitud en bits de la secuencia transmitida. Dicha técnica, conocida como M-sequence radar, ofrece grandes ventajas especialmente ligadas a la alta resolución de blancos y su gran inmunidad frente a detección en entorno hostil e interferencias naturales o provocadas.

Sin embargo, la técnica radar por transmisión de M-secuencias presenta una grave limitación en el rango dinámico que ofrece, el cual va ligado a la longitud M de la secuencia transmitida. Ello dificulta la detección de ecos, los cuales en algunos escenarios de gran atenuación serán confundidos con ruido. Estas secuencias PRBS presentan además un grave problema de presencia de lóbulos laterales de gran potencia, lo cual agrava el problema de detección de falsos ecos habitual en las aplicaciones radar. La amplitud de dichos lóbulos laterales es directamente proporcional a la longitud M de la secuencia, de modo que si ésta se incrementa con el fin de aumentar el rango dinámico, se incrementará además el nivel de los lóbulos laterales. A su vez, un incremento en la longitud de la secuencia transmitida, reduce la velocidad de detección de blancos, limitando la velocidad de respuesta del dispositivo radar.

En esta invención se plantea la aplicación a las técnicas de modulación por ruido de un tipo de secuencias pseudoaleatorias binarias que aporta una solución a la problemática relacionada con la longitud M de la secuencia transmitida. Las secuencias pseudoaleatorias empleadas se conocen como series de Golay y consisten en un par de secuencias pseudoaleatorias binarias con propiedades complementarias en fase. Las propiedades de autocorrelación de un par de secuencias Golay conllevan la desaparición del problema de los lóbulos laterales y además provocan que el rango dinámico del sistema sea doble al que correspondería a una secuencia PRBS de la misma longitud. Esto permite el uso de secuencias de menor longitud para incrementar la velocidad de detección de blancos.

Descripción de la invención

El radar de penetración en tierra mediante transmisión de formas de onda basadas en series de secuencias de fase complementaria se basa en la transmisión de un par de secuencias pseudoaleatorias de fase complementaria o secuencias Golay. Dichas secuencias son generadas digitalmente y se transmiten moduladas. En su recepción y posterior procesado se tiene en cuenta no sólo la envolvente de la señal recibida sino también la fase.

Para ello se han adoptado diversos esquemas receptores, todos encaminados a no obviar la información de fase de la señal recibida. Este esquema de recepción, basado en módulo y fase, no se emplea en radares UWB donde el esquema receptor se centra en un detector de envolvente.

En el receptor se incluye, a continuación de la etapa de radiofrecuencia, un elemento de adquisición de la señal recibida basado en una conversión analógico-digital. Por medio de este elemento, la señal recibida es muestreada y los valores resultantes son almacenados y procesados.

Los elementos radiantes consisten en antenas no distorsionantes de los pulsos que conforman la señal transmitida, disponiéndose una en el transmisor y otra en el receptor. Se han considerado dos tipos de antenas: antenas butterfly y antenas Vivaldi.

El principio de funcionamiento del sistema es el siguiente. Se genera un par de secuencias complementarias o secuencias Golay, de la longitud y tasa binaria deseadas. La primera secuencia del par es modulada, amplificada y transmitida con la antena apropiada. El esquema transmisor se representa en la Figura 1.

En recepción se lleva a cabo una detección heterodina o superheterodina con bajada a banda base o no. Cualquiera de las dos técnicas de recepción puede combinarse con una demodulación I/Q.

Se proponen hasta cuatro esquemas distintos para implementar el sistema, diferenciándose entre sí por la etapa de recepción (Figuras 2-4). Todos tienen en común la etapa de transmisión y las antenas empleadas. Los diversos esquemas pueden implementarse por hardware o por lógica programable del tipo FPGA (Field Programmable Gate Array).

La mejora introducida por la presente invención en temática de rango dinámico y supresión de lóbulos laterales, se basa en las propiedades de autocorrelación de las secuencias pseudoaleatorias empleadas, las series Golay.

Los códigos binarios de fase se caracterizan por presentar funciones de autocorrelación no periódicas con mínimo nivel de lóbulos laterales. Una clase importante de estos códigos binarios son los denominados códigos complementarios, también conocidos como códigos Golay. Los códigos complementarios consisten en un par de secuencias de la misma longitud que presentan la siguiente propiedad: cuando sus respectivas funciones de autocorrelación se suman algebraicamente, se cancelan sus lóbulos laterales. Además, la amplitud de pico de la autocorrelación se ve incrementada por esta suma duplicando su valor.

Las series complementarias poseen ciertas características que las hacen más adecuadas que las secuencias PRBS para algunas aplicaciones. Entre ellas la más importante es la doble ganancia en la función de autocorrelación. Este incremento de ganancia se logra sin necesidad de introducir una estructura hardware adicional.

Este comportamiento de los códigos Golay proporcionará una mejora significativa al nivel de detección de la señal en el receptor. Al incrementar el rango dinámico, se permite separar adecuadamente los ecos del nivel de ruido de fondo, evitando los falsos ecos y permitiendo una mejor estimación de los blancos. La mejora en el rango dinámico se logra gracias a un efecto doble: el pico de la autocorrelación es de doble amplitud y los lóbulos laterales se anulan. Este comportamiento es muy útil en situaciones extremas, como un escenario donde la señal transmitida y las señales reflejadas experimenten una gran atenuación, como es el caso de los escenarios de aplicación de radares de penetración en tierra.

Los autores de esta invención han demostrado, en forma cuantitativa y cualitativa, que la mejora alcanzada al emplear secuencias Golay en la estimación de parámetros de canal radio alcanza valores de hasta un 67.8% con respecto a las secuencias PRBS. El único coste resultante de emplear secuencias Golay es el tiempo doble requerido para la transmisión de la secuencia, puesto que...

1. Radar de penetración en tierra mediante transmisión de formas de onda basadas en series de secuencias de fase complementaria caracterizado por la transmisión de un par de secuencias pseudoaleatorias de fase complementaria o secuencias Golay.

2. Radar de penetración en tierra mediante transmisión de formas de onda basadas en series de secuencias de fase complementaria, según la reivindicación 1, caracterizado por disponer de un único generador de secuencias transmitidas en el extremo transmisor del dispositivo.

3. Radar de penetración en tierra mediante transmisión de formas de onda basadas en series de secuencias de fase complementaria, según la reivindicación 1, caracterizado por emplear en transmisión antenas con patrones de radiación conocido como butterfly y Vivaldi que ofrecen una baja distorsión de la señal binaria transmitida.

4. Radar de penetración en tierra mediante transmisión de formas de onda basadas en series de secuencias de fase complementaria, según la reivindicación 1, caracterizado por implementar una etapa de recepción basada en la consideración del módulo y fase de la señal recibida.

5. Radar de penetración en tierra mediante transmisión de formas de onda basadas en series de secuencias de fase complementaria, según la reivindicación 1, caracterizado por implementar un procesado, en tiempo real o en forma off-line, de la señal recibida y muestreada que considera todas las muestras obtenidas en la etapa de conversión analógico-digital con el fin de incrementar la estimación de parámetros propios de un radar de su clase.

6. Radar de penetración en tierra mediante transmisión de formas de onda basadas en series de secuencias de fase complementaria, según la reivindicación 1, caracterizado por disponer de un único reloj de referencia de fase.