MÉTODO Y APARATO PARA LA DETECCIÓN DE DISTANCIA, VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DE OBJETOS.

La invención a la que se refiere la presente memoria trata de un método y aparato para la detección de distancia,

velocidad y dirección de objetos mediante la emisión de ondas electromagnéticas (radio o luz) o mecánicas (ultrasonidos) codificadas, y la detección y decodificación de las señales recibidas o ecos, para obtener una mayor sensibilidad y resolución que los actuales sistemas similares.

El aparato consta de ocho bloques principales:

- Medios de selección de elementos o códigos.

- Medios de codificación de pulsos.

- Medios de modulación y transmisión.

- Medios de recepción y demodulación.

- Medios para procesar las componentes en fase y cuadratura.

- Medios para el almacenamiento.

- Medios de proceso electrónico para el cálculo del módulo y fase.

- Medios de proceso electrónico para el cálculo de distancia, velocidad y dirección.

Método y aparato para la detección de distancia, velocidad y dirección de objetos.

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La invención a la que se refiere la presente memoria trata de un método y aparato para la detección de distancia, velocidad y dirección de objetos, estáticos o en movimiento, mediante la emisión de ondas electromagnéticas (radio o luz) o mecánicas (ultrasonidos) codificadas, y la detección y decodificación de las señales recibidas o ecos, para obtener una mayor sensibilidad y resolución que los actuales sistemas similares.

CAMPO DE LA INVENCION

La presente invención tiene su desarrollo en muy variados campos de la detección y visualización. A nivel recitativo pero no limitativo podemos hablar de su utilización en el campo de las aplicaciones RADAR para la detección tanto de objetivos militares como civiles, en el campo de la investigación atmosférica o detección de recursos naturales para geo-radares de penetración, en sus múltiples variantes, así como su aplicación a técnicas de radar de apertura sintética (SAR), entre otros.

En el campo de aplicaciones LIDAR, basadas en Láser, puede emplearse para mejorar la medida de distancias o en imágenes médicas basadas en tomografía de infrarrojo cercano, por ejemplo.

En el campo de las ondas mecánicas, para mejorar las aplicaciones de SONAR en el campo militar y civil, las imágenes médicas basadas en ultrasonidos o la detección de parámetros médicos en los que sea necesario medir la velocidad, volumen y densidad de tejidos, así como en aplicaciones industriales para la medición de la rigidez, densidad y estado de materiales.

Evidentemente, todas las aplicaciones en las que se emplee una señal electromagnética o mecánica para la detección o medida, también puede beneficiarse de este método y aparato para mejorar sus capacidades.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Los sistemas activos de detección pulsados convencionales suelen estar basados en la compresión o codificación de los pulsos transmitidos mediante modulaciones de fase y barridos de frecuencia o chirp.

De este modo la detección se suele realizar mediante técnicas de filtro adaptado o correlación con el objetivo de obtener una mayor sensibilidad y robustez frente al ruido y el jamming, sin reducir significativamente la resolución en distancia o capacidad de detectar objetos muy próximos.

Desafortunadamente, la compresión de pulsos produce un incremento de los lóbulos laterales de la función de correlación que puede producir falsas detecciones de ecos próximos o "clutter", al tiempo que ecos de alta energía pueden enmascarar ecos próximos mucho más débiles.

Una solución a este problema son las técnicas de enventanado en el tiempo que permiten reducir los lóbulos laterales de la correlación a valores extremadamente bajos mediante la multiplicación de la señal en el tiempo por funciones matemáticas especiales. Sin

embargo, cuanto mayor es la reducción de dichos lóbulos mayor es el ensanchamiento del lóbulo principal producido, lo cual produce una pérdida de discriminación en distancia o resolución axial lo cual reduce la posibilidad de detectar objetos próximos unos de otros "engañando" al aparato, que detecta un objeto más grande en lugar de varios más pequeños.

Por otra parte, las técnicas de enventanado requieren que las etapas de transmisión trabajen en modo lineal lo que hace que la eficiencia energética del transmisor se reduzca incrementando el consumo del equipo.

Así pues, reducir los lóbulos laterales y estrechar el lóbulo principal sin reducir la eficiencia energética es particularmente importante en los sistemas activos de detección, especialmente cuando existe la posibilidad de detectar ecos de alta reflectividad próximos a ecos débiles que pueden quedar enmascarados pero cuya detección es de vital importancia.

Este es el caso, por ejemplo, de la detección de misiles o aviones cuya trayectoria se realiza cerca del suelo o cerca de la superficie del mar.

En estos casos el eco del objetivo queda enmascarado por el potente eco del suelo, montañas o de la superficie del mar que se encuentra muy cercano al objetivo e impide su correcta detección.

El caso más extremo de este efecto se produce en los sistemas de visión tras muro o TTWS (del inglés Through The Wall Systems). Estos aparatos emplean, en general, ondas electromagnéticas de ultra banda ancha o UWB (Ultra Wide Band) transmitidas en dirección al muro o pared que rodea un recinto cerrado con el objetivo de detectar el movimiento de objetos o personas en el interior.

El propio muro refleja la mayor parte de la energía atravesando sólo una pequeña parte que, además, debe volver a cruzar el muro de nuevo, muy atenuada, y ser detectada por el aparato receptor e interpretar los datos de posición, velocidad, dirección e incluso la respiración de los objetos o personas al otro lado.

Esto supone un reto tecnológico enorme debido, no solo a la enorme atenuación que sufre la información de interés, respecto a la que vuelve reflejada del muro, sino a la dificultad de discriminar objetos que se encuentran cerca entre ellos y del propio muro que se interpone entre el aparato detector y el objeto.

Una solución al problema de la discriminación entre objetos es transmitir pulsos extremadamente cortos, inferior a nanosegundos, y con un elevado ancho de banda. De hecho estas técnicas de pulsos ultracortos y de ultra amplio ancho de banda o UWB son las que se utilizan actualmente en casi todos los sistemas TTWS.

Sin embargo, el problema de la sensibilidad no queda resuelto y es necesario utilizar, por ejemplo, una mayor potencia y utilizar un número elevado de medidas o pulsos para incrementar así la relación señal a ruido (SNR) del equipo y obtener una información más precisa de las imágenes obtenidas, lo que conlleva un mayor consumo y menor autonomía de los aparatos.

Evidentemente, en lugar de utilizar pulsos UWB muy cortos, otra solución es emplear un ancho de banda suficiente para detectar los objetos cuyos ecos están muy atenuados y utilizar técnicas que empleen mayor energía, pero distribuida en el tiempo en lugar de en la frecuencia.

Así, técnicas basadas en radares continuos (CW o LFM) se están empleando desde hace tiempo con cierto éxito en prototipos y en productos del mercado, sin embargo, dichos sistemas son extremadamente caros y voluminosos debido a la necesidad de antenas con

elevada ganancia y dimensiones, además de que las etapas de transmisión y recepción son complejas y de alta linealidad, encareciendo el aparato.

Otra solución es el uso de técnicas empleadas en radares pulsados. En este caso la energía se extiende en el tiempo mediante una codificación chirp (o barrido en frecuencia), por ejemplo, lo que permite incrementar la sensibilidad y robustez.

Lamentablemente, tal como se ha explicado, es necesario enventanar el pulso transmitido y recibido para poder detectar ecos débiles muy por debajo de ecos próximos de gran reflectividad, como el que refleja un muro, lo que empeora la resolución en distancia haciendo imposible discriminar objetos próximos unos de otros y, especialmente, si están cercanos al muro.

Además, el coste y consumo del aparato se incrementa debido a las restricciones de linealidad y potencia necesarios para su funcionamiento óptimo.

Evidentemente, este problema se encuentra también en el campo de las imágenes médicas por ultrasonidos.

El caso más evidente es el de las ecografías transcraneales en las que el objetivo es conocer la naturaleza y estado de los tejidos del cerebro, así como la velocidad, dirección y volumen de la sangre en los distintos vasos internos con el objetivo de detectar lesiones cerebrales tales como íctus, estenosis o tumores.

En estos casos, debido a la dureza del cráneo en los adultos, es una prueba diagnóstica que no puede emplearse a pesar de sus ventajas frente a otro tipo de pruebas diagnósticas o de imagen como el TAC.

De todo lo anterior se deduce la necesidad de un método de detección de distancia, dirección y velocidad que permita, por una parte incrementar la sensibilidad de la medida, la reducción de los lóbulos laterales sin emplear técnicas de enventanado y, por tanto, sin reducir la resolución en distancia, ni la discriminación de objetos próximos, y por la otra permitir una transmisión de modo que los amplificadores trabajen en modo de saturación con el objetivo de reducir el coste y consumo del equipo para permitir un menor tamaño y una mayor autonomía en equipos autónomos.

Este método de detección de distancia, dirección y velocidad puede ser empleado en cualquier aparato de...

1.- APARATO PARA LA DETECCIÓN DE DISTANCIA, VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DE OBJETOS, estáticos o en movimiento, mediante la emisión de ondas electromagnéticas (radio o luz) o mecánicas (ultrasonidos) codificadas, y la detección y decodificación de las señales recibidas o ecos, para obtener una mayor sensibilidad y resolución que transmite señales codificadas y moduladas mediante un transductor adaptado al medio y detecta dicha información de las señales recibidos por el mismo u otro transductor adaptado y cuyo aparato está caracterizado por estar constituido al menos por:

Medios de selección de elementos (1), que realiza la selección de un elemento del conjunto almacenado formado por N secuencias complementarias de L valores numéricos cada una. Medios de codificación de pulsos (2), que utilizan los valores almacenados, y ordenados en una memoria circular (2) de NxL valores a la que se accede a intervalos de tiempo definidos T y son utilizados para codificar los pulsos a transmitir cíclica y sucesivamente (11) con los valores de las secuencias almacenadas. El proceso es cíclico y continuo porque después de leer la secuencia N se comienza de nuevo a transmitir la secuencia 1 en el siguiente ciclo T y así cíclicamente.

Medios de modulación y transmisión (3), que realiza la modulación de la señal (en fase, amplitud o frecuencia) a frecuencia intermedia (13) y posteriormente la sube a la frecuencia de interés mediante un conversor superior (14) que es amplificada (15) y transmitida mediante un transductor adaptado al medio (16).

Medios de recepción y demodulación (4), que recibe la señal (22) mediante un transductor adaptado al medio (21) es bajado a frecuencia intermedia (24) por un conversor coherente inferior (23), demoduladas y extraídas las componentes en fase (25) y cuadratura (26) en banda base.

Medios para procesar las componentes en fase y cuadratura (5), que correlan cíclicamente y simultáneamente las señales recibidas en banda base de cada componente (25 y 26), por las N secuencias almacenadas en memorias circulares en el orden en que se enviaron y de manera cíclica y continua.

Medios para el almacenamiento (6), que almacenan los resultados de los N últimas correlaciones cíclicas, de cada componente en fase y cuadratura, en una memoria.

Medios de proceso electrónico para el cálculo del módulo y fase (7), que calculan, en cada intervalo T el módulo M como la raíz cuadrada de la suma de las últimas N correlaciones, almacenadas en memoria, al cuadrado y calcula la fase como el arcotangente del cociente entre las últimas N correlaciones de la componente en cuadratura y la componente en fase.

Medios de proceso electrónico para el cálculo de distancia, velocidad y dirección (8), que

calculan los datos de distancia, velocidad y dirección en cada intervalo T, empleando un número determinado de datos de módulo y fase calculados previamente.

2.- APARATO PARA LA DETECCIÓN DE POSICIÓN, VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DE OBJETOS, estáticos o en movimiento que utiliza ondas electromagnéticas de acuerdo con la 1a reivindicación, ya sea radiofrecuencia o luz y caracterizado porque los medios a los que se refiere la 1a reivindicación comprenden: :

- al menos un transmisor que genera pulsos codificados;

- al menos un emisor adaptado al medio que modula y transmite dichos pulsos;

- al menos un receptor adaptado al medio que recibe y demodula los pulsos recibidos;

- los medios para procesar y extraer las componentes en fase y cuadratura de los pulsos recibidos;

- los medios para correlar las componentes en fase y cuadratura en

banda base con los códigos transmitidos en el orden definido en transmisión y cíclicamente;

- los medios para calcular y almacenar los valores del módulo M y fase 0 como:

N

= Z arctag

i=i

'®(QkTi, Pi)' kT, pi))

.- los medios para obtener los valores de posición, velocidad y dirección partiendo de los valores de módulo y fase almacenados durante un número dado de intervalos anteriores.

.- Los medios para representar y visualizar los datos de posición, velocidad y dirección al usuario.

3.- MÉTODO PARA LA DETECCIÓN DE DISTANCIA, VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DE OBJETOS estáticos o en movimiento, mediante la emisión de ondas electromagnéticas y caracterizado porque:

el proceso de transmisión de los elementos es continuo y cíclico, es decir, cuando termina la transmisión del elemento, se vuelve a transmitir el inicio del elemento a continuación;

las N secuencias que componen cada elemento se transmiten moduladas una tras otra separadas un tiempo definido T, cuya duración depende de la naturaleza de la aplicación;

la duración de la transmisión completa de las N secuencias que componen cada elemento es NT;

una vez transmitida la última secuencia perteneciente al elemento, el método obtiene el resultado de distancia, velocidad y dirección a cada intervalo T correspondiente al envío de cada nueva secuencia cíclica y continuamente.

4.- MÉTODO PARA LA DETECCIÓN DE DISTANCIA, VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DE OBJETOS estáticos o en movimiento, mediante la emisión de ondas electromagnéticas de acuerdo con las reivindicación 3a y caracterizado porque las N secuencias de cada elemento son transmitidas codificadas en fase y trabajando los amplificadores de transmisión en saturación sin que se degrade ninguna de sus características de sensibilidad al clutter, jamming, resolución en distancia, velocidad y dirección.

5.- MÉTODO PARA LA DETECCIÓN DE DISTANCIA, VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DE OBJETOS estáticos o en movimiento, mediante la emisión de ondas electromagnéticas de acuerdo con la reivindicaciónes 3a y 4a y caracterizado porque las N secuencias de cada elemento son recibidas codificadas en fase y trabajando los amplificadores de recepción en saturación manteniendo una limitada y controlada degradación de sus características de

sensibilidad al clutter, jamming, resolución en distancia, velocidad y dirección, suficiente para ser empleado en aplicaciones de detección.

6.- APARATO PARA LA DETECCIÓN DE POSICIÓN, VELOCIDAD Y DIRECCIÓN,

que utiliza ondas electromagnéticas de acuerdo con la reivindicación 2a para detectar objetos o personas detrás de obstáculos y caracterizado porque comprende: una base con una pantalla táctil dispuesta para ser sujetada con las manos para apuntar hacia el objetivo;

una base conectada de modo inalámbrico o mediante cables a un array o conjunto de elementos transductores o antenas transmisoras;

un conjunto de elementos transductores organizados espacialmente que combina un número variable de transmisores y de receptores;

un procesador de las señales de transmisión y recepción interpretado como posiciones, velocidades y direcciones para representar en la pantalla una imagen 2D/3D de los objetos o personas tras el obstáculo;

un proceso de generación de la imagen que tiene en cuenta la posición de la base respecto a los objetos detectados para la representación de la información.

7.- APARATO PARA LA DETECCIÓN DE POSICIÓN, VELOCIDAD Y DIRECCIÓN,

que emplea ultrasonidos codificadas, y la detección y decodificación de las señales recibidas o ecos, para obtener una mayor sensibilidad y resolución que transmite señales codificadas y moduladas mediante un transductor adaptado al medio y detecta dicha información de las señales recibidos por el mismo u otro transductor adaptado de acuerdo con la reivindicaciones 1a, 2a y 6a caracterizado porque para analizar cambios fisiológicos en los tejidos biológicos comprende:

.- una base a la que está fijado un array o conjunto de elementos transductores enfrentados de manera que rodean el cuerpo o miembro a analizar haciendo o no contacto directo;

.- una base es flexible, para permitir adaptarse a distintos tamaños del miembro o cuerpo, de modo que los elementos no están unidos entre sí ni a la base de una manera rígida;

.- un conjunto de elementos transductores, configurados para realizar un barrido completo de transmisión/recepción alrededor del miembro;

.- un conjunto de elementos transductores configurados para recibir la señal del transductor o transductores enfrentados que atraviesan los tejidos circundantes;

.- un conjunto de elementos transductores que además están configurados para recibir sus propias señales transmitidas o ecos reflejados por los tejidos circundantes; de forma que el conjunto de elementos está conectado por cable o de manera inalámbrica a un dispositivo con pantalla que procesa los datos detectados y los representa;

.- un dispositivo conectado con pantalla que permite representar imágenes empleando los datos relacionados con la posición, velocidad y el movimiento de los tejidos analizados.

8.- APARATO PARA LA DETECCIÓN DE POSICIÓN, VELOCIDAD Y DIRECCIÓN DE OBJETOS, que emplea ondas electromagnéticas de acuerdo con las reivindicaciones 1a, 2a 6a y 7a y caracterizado de forma que para analizar cambios fisiológicos en los tejidos biológicos, comprende:

.- una base a la que está fijado un array o conjunto de elementos transductores enfrentados de manera que rodean el cuerpo o miembro a analizar haciendo o no contacto directo; de forma que rodea el miembro o cuerpo completa o parcialmente según la configuración;

.-el conjunto de elementos transductores están configurados para realizar un barrido completo de transmisión/recepción alrededor del miembro; y además están configurados para recibir la señal del transductor o transductores enfrentados;

.- el conjunto de elementos transductores está conectado por cable o de manera inalámbrica a un dispositivo con pantalla que procesa los datos detectados y los representa;

un dispositivo conectado con pantalla permite representar imágenes empleando los datos relacionados con la posición, velocidad y el movimiento de los tejidos analizados.