Sistemas de Radar y
Sistemas de Radar y
Procesamiento en Tiempo Real
Procesamiento en Tiempo Real
Link tronic
Historia del Radar
Historia del Radar
(muy breve)
(muy breve)
Link tronic
En 1864 James Clerk
Maxwell (the only real
genius) postulo la
existencia de radiación
electromagnética
En 1888 Heinrich Hertz
demostró la radiación
electromagnética con este
equipo
Primer Radar
Primer Radar
Link tronic
Huelsmeyer’s Telemobiloscope
En 1904 el Alemán Huelsmeyer detecta buques a 3Km
Principios de los radares modernos
Principios de los radares modernos
Link tronic
En 1935 Randall y Boot de la Universidad de Birmingham
inventan el magnetrón que permite producir mucha
potencia a frecuencias altas – 100KW a 2MW y 1,000 a
10,000MHz
Robert Watson Watt trabaja por un premio de 1000
libras por la primer persona que mata un cordero a
100m usando un ‘rayo de la muerte’. Logro detectar
aviones a 100Km pero el cordero siguió vivo!!
El Magnetrón
El Magnetrón
Link tronic
El magnetrón fue el
El magnetrón fue el
principal elemento de
principal elemento de
transmisión de
transmisión de
energía
energía
electromagnética
electromagnética
desde 1940 hasta el
desde 1940 hasta el
década de los 80
década de los 80
Aun que el magnetrón puede producir mucho
potencia – hasta 3MW – sufre de un gran defecto, su
transmisión no es coherente. Es decir, las fases de
las transmisiones son desconocidas y aleatorias.
Además, la frecuencia de transmisión puede variar
sobre rangos pequeños con variaciones en la fuente
de poder y VSWR de la carga
Frecuencias de operación de los Radares
Frecuencias de operación de los Radares
Link tronic
Dos personas muy importantes en el mundo
Dos personas muy importantes en el mundo
del radar
del radar
Link tronic
Jean Baptiste Joseph Fourier 1768 – 1830
Aunque tiene cara de farrero, creó las series
de Fourier, fundamento de gran parte del
procesamiento digital que se aplica en un
radar
Johann Christian Andreas Doppler 1803 – 1853,
descubridor del efecto Doppler que permite, entre
otras cosas, discriminar entre blancos fijos y móviles.
Clasificación de los Radares por Forma de
Clasificación de los Radares por Forma de
Onda Transmitido
Onda Transmitido
Link tronic
Principio Básico de un Radar de Vigilancia
Principio Básico de un Radar de Vigilancia
Potencia
Duración
Transm itter Receiver
Signal Generator Processor
Display
Todas las
Senales
Inform ación
Util
Energia
Clutter
Blancos
Link tronic
Radar Coherente con TWT de 50KW diseñado
Radar Coherente con TWT de 50KW diseñado
y fabricado por Linktronic
y fabricado por Linktronic
Link tronic
Este radar transmite pulsos de hasta
96uS que se comprimen a 250nS.
Detecta aviones sobre 300Km de
distancia
Origen y el porqué de la solución
Origen y el porqué de la solución
Energía y Duración
Energía y Duración
► La energía recibida desde un blanco determinado es proporcional a la energía
La energía recibida desde un blanco determinado es proporcional a la energía
transmitida
transmitida
► El límite de la detección es cuando la energía recibida de un blanco iguala la
El límite de la detección es cuando la energía recibida de un blanco iguala la
energía del ruido en el ancho de banda del receptor (bueno, no exactamente)
energía del ruido en el ancho de banda del receptor (bueno, no exactamente)
► El ancho de banda del receptor debe corresponder con la duración del pulso.
El ancho de banda del receptor debe corresponder con la duración del pulso.
Idealmente, el receptor debe ser un Matched Filter para maximizar la señal con la
Idealmente, el receptor debe ser un Matched Filter para maximizar la señal con la
mínima cantidad de ruido
mínima cantidad de ruido
► Incrementando la energía por mayor potencia tiene limites prácticos y financieros.
Incrementando la energía por mayor potencia tiene limites prácticos y financieros.
Grandes potencias requieren de grandes fuentes de poder y mucho enfriamiento.
Grandes potencias requieren de grandes fuentes de poder y mucho enfriamiento.
► Incrementando energía por duración reduce el ancho de banda del receptor y la
Incrementando energía por duración reduce el ancho de banda del receptor y la
energía del ruido, pero disminuye la resolución, la capacidad de resolver dos
energía del ruido, pero disminuye la resolución, la capacidad de resolver dos
blancos cercanos
blancos cercanos
► Mayor duración también aumenta el nivel de señal del clutter por el mayor
Mayor duración también aumenta el nivel de señal del clutter por el mayor
volumen iluminado
volumen iluminado
Potencia
Duración
Energia
Link tronic
Energía y Potencia
Energía y Potencia
► Mayor potencia produce mayor energía, pero existe problemas con
Mayor potencia produce mayor energía, pero existe problemas con
los subsistemas del radar como guías de onda, antenas y el
los subsistemas del radar como guías de onda, antenas y el
volumen y costo del transmisor
volumen y costo del transmisor
► Transmisores antiguos usaban Magnetrones para producir
Transmisores antiguos usaban Magnetrones para producir
potencias en el orden de 1 a 4MW con pulsos de duración entre 1 a
potencias en el orden de 1 a 4MW con pulsos de duración entre 1 a
4uS – 1 a 16J
4uS – 1 a 16J
► Magnetrones son elementos no­coherentes, cuya estabilidad limita
Magnetrones son elementos no­coherentes, cuya estabilidad limita
la capacidad de diferenciar entre clutter y blanco.
la capacidad de diferenciar entre clutter y blanco.
► Transmisores con TWT o de Estado Sólido, son totalmente
Transmisores con TWT o de Estado Sólido, son totalmente
coherentes (o lineales), pero de mucha menor potencia ­ 5 a
coherentes (o lineales), pero de mucha menor potencia ­ 5 a
100KW, aun que existe Klistrones (Klystrons) que producen mas de
100KW, aun que existe Klistrones (Klystrons) que producen mas de
10MW
10MW
► Entonces ¿
Entonces ¿Como conseguir la energía requerida a menor potencia?
Como conseguir la energía requerida a menor potencia?
Mayor duración y mejor resolución por medio de la Compresión
Mayor duración y mejor resolución por medio de la Compresión
Digital de Pulsos
Digital de Pulsos
Potencia
Duración
Energia
Link tronic
Compresión Digital de Pulsos
Compresión Digital de Pulsos
el Grial del Ingeniero de Radar
el Grial del Ingeniero de Radar
► La convolución de dos señales
La convolución de dos señales
expresan el grado de correlación
expresan el grado de correlación
que existe a distintos tiempos
que existe a distintos tiempos
► Cuando las señales se traslapan
Cuando las señales se traslapan
perfectamente, la convolución es
perfectamente, la convolución es
máxima
máxima
► Señales ideales son aquellas
Señales ideales son aquellas
cuya convolución es mínima en
cuya convolución es mínima en
todo momento, excepto
todo momento, excepto
alineamiento perfecto
alineamiento perfecto
Link tronic
Formas de Onda
Formas de Onda
► Existen distintas señales digitales como códigos Frank y Barker,
Existen distintas señales digitales como códigos Frank y Barker,
otras secuencias con múltiples fases y combinaciones incluyendo
otras secuencias con múltiples fases y combinaciones incluyendo
códigos seudo­aleatorios
códigos seudo­aleatorios
► La limitación de estos códigos es el valor Bt, el producto del ancho
La limitación de estos códigos es el valor Bt, el producto del ancho
de banda y la duración del pulso. Es la cantidad básica de
de banda y la duración del pulso. Es la cantidad básica de
compresión disponible, por ejemplo, los códigos Barker tienen un Bt
compresión disponible, por ejemplo, los códigos Barker tienen un Bt
máximo de 13
máximo de 13
► La mayoría de las señales usadas son entonces analógicas, y
La mayoría de las señales usadas son entonces analógicas, y
consisten en un barrido continuo de frecuencia por la duración del
consisten en un barrido continuo de frecuencia por la duración del
pulso
pulso
► El Bt de un pulso de 100uS de duración y 1MHz de barrido es 100 y
El Bt de un pulso de 100uS de duración y 1MHz de barrido es 100 y
el pulso comprimido tendrá un ancho de 1uS
el pulso comprimido tendrá un ancho de 1uS
► Un Bt de 100 significa que un transmisor de 50KW se comporta
Un Bt de 100 significa que un transmisor de 50KW se comporta
como un transmisor no­lineal de 5MW
como un transmisor no­lineal de 5MW
Link tronic
Compresión Básica
Compresión Básica
► La señal transmitida es un barrido
La señal transmitida es un barrido
desde –
desde –∆
∆B/2
B/2 a
a ∆
∆B/2,
B/2, por ejemplo, de B
por ejemplo, de B
= 5MHz y la duración es 50uS
= 5MHz y la duración es 50uS
► El pulso comprimido concentra la
El pulso comprimido concentra la
energía de la señal sobre un tiempo
energía de la señal sobre un tiempo
=1/B, 200nS, pero tiene lóbulos
=1/B, 200nS, pero tiene lóbulos
laterales en el tiempo correspondientes
laterales en el tiempo correspondientes
a la función SincX, ­13dB
a la función SincX, ­13dB
► La aplicación de una ventana Hamming
La aplicación de una ventana Hamming
a los datos, reduce los lóbulos a ­40dB
a los datos, reduce los lóbulos a ­40dB
­2 ­1.8 ­1.6 ­1.4 ­1.2 ­1 ­0.8 ­0.6 ­0.4 ­0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
­70
­68
­65
­63
­60
­58
­55
­53
­50
­48
­45
­43
­40
­38
­35
­33
­30
­28
­25
­23
­20
­18
­15
­13
­10
­8
­5
­3
0
Pulso Comprimido Sin Compensación
Tiempo uS
Amplitud
dB
Row 500Row 518Row 536Row 554Row 572Row 590Row 608Row 626Row 644Row 662Row 680Row 698Row 716Row 734Row 752Row 770Row 788Row 806
­1
­0.9
­0.8
­0.7
­0.6
­0.5
­0.4
­0.3
­0.2
­0.1
0
0.1
Link tronic
Compresión Práctica
Compresión Práctica
10MHz
80MHz
Clock
12 Bit A/D
Converter
12
Clock
0 90
I
Q
AD9432
16
Filter
X 8
Decimation
Adjust
Gain
Format
Output
992­4­0034
Pulse
Reference
Conjugate
Complex
FFT
4096 Point
0 90
I
Q
16
IFFT
4096 Point
Rounding
Normalization
Buffer
Data
W eighting
Switch
Spectrum
Complex Multiply
Floating Point
Video
O utput
Digital Receiver
Floating Point Pulse Compression
10MHz
Tx
Rx
16
80MHz
Excitador
G enerador Temporización
de
Señales
Xilinx Virtex II 3000
Nrm/Ref
y Control
Sistema práctico de compresión, usando un Receptor Digital y
una Convolución basada en el uso de la Transformada de
Fourier en punto flotante
Link tronic
Resultados Prácticos de la Compresión
Resultados Prácticos de la Compresión
Digital de Pulsos
Digital de Pulsos
► Avión a 90Km del radar
Avión a 90Km del radar
► Note el clutter terrestre que
Note el clutter terrestre que
rodea el radar
rodea el radar
► Radar de 50KW
Radar de 50KW
transmitiendo pulso de
transmitiendo pulso de
30uS con un barrido de
30uS con un barrido de
4MHz comprimido con
4MHz comprimido con
pesaje Hamming
pesaje Hamming
Link tronic
La Segunda Aplicación Importante
La Segunda Aplicación Importante
La búsqueda de la Información útil
La búsqueda de la Información útil
► Dada la coherencia en las señales
Dada la coherencia en las señales
transmitidas, los retornos de blancos
transmitidas, los retornos de blancos
estables son siempre en la misma fase
estables son siempre en la misma fase
y contienen cero Doppler
y contienen cero Doppler
► Los blancos de interés son
Los blancos de interés son
generalmente en movimiento, y por
generalmente en movimiento, y por
ende su fase, pulso a pulso, cambia.
ende su fase, pulso a pulso, cambia.
Esto es su frecuencia Doppler
Esto es su frecuencia Doppler
► Para radares de bajo PRF, los Doppler
Para radares de bajo PRF, los Doppler
son ambiguos, y todas las señales son
son ambiguos, y todas las señales son
dobladas adentro del rango del PRF
dobladas adentro del rango del PRF
► Por medio de un filtro, se puede separar
Por medio de un filtro, se puede separar
los objetos en movimiento de los que
los objetos en movimiento de los que
están estacionarios
están estacionarios
Link tronic
El Filtro MTI
El Filtro MTI
(Indicador de Blancos Móviles)
(Indicador de Blancos Móviles)
► La más simple implementación es
La más simple implementación es
el FIR de Pasa Alta, que es
el FIR de Pasa Alta, que es
simétrico alrededor de la frecuencia
simétrico alrededor de la frecuencia
de muestreo, en este caso, la
de muestreo, en este caso, la
frecuencia de repetición del radar
frecuencia de repetición del radar
(PRF)
(PRF)
► En un MTI, las frecuencias
En un MTI, las frecuencias
corresponden a las velocidades
corresponden a las velocidades
radiales de los blancos. Los
radiales de los blancos. Los
blancos con mayor velocidad que el
blancos con mayor velocidad que el
PRF del radar se doblan hacia
PRF del radar se doblan hacia
abajo al espacio entre cero y PRF
abajo al espacio entre cero y PRF
Z ­1 Z ­1 Z ­1
a0 a1 a2 a3
x(t)
y(t)
Basic FIR High Pass Filter
(1) (­3) (3) (­1)
MTI Filter
La respuesta del filtro es deficiente por la
atenuación cercana a los bordes
Link tronic
El Filtro MTI
El Filtro MTI
► Con un filtro IIR y valores de
Con un filtro IIR y valores de
retroalimentación de Punto Flotante, la
retroalimentación de Punto Flotante, la
respuesta del filtro es mejorada
respuesta del filtro es mejorada
significativamente
significativamente
► Dependiendo de la estabilidad del radar
Dependiendo de la estabilidad del radar
y la composición del clutter, el espectro
y la composición del clutter, el espectro
del clutter puede ocupar mas o menos
del clutter puede ocupar mas o menos
área bajo el filtro
área bajo el filtro
► La nula respuesta alrededor de la PRF
La nula respuesta alrededor de la PRF
es solucionada introduciendo variaciones
es solucionada introduciendo variaciones
en la PRF llamado Stagger. Este modula
en la PRF llamado Stagger. Este modula
la frecuencia de alias de las señales y
la frecuencia de alias de las señales y
mueve el null hacia arriba y abajo, las
mueve el null hacia arriba y abajo, las
variaciones de lo cual están integradas
variaciones de lo cual están integradas
sobre varias PRF
sobre varias PRF
Principio Básico
La repuesta del filtro es deficiente por la
atenuación cerca las bordes
Z ­1 Z ­1 Z ­1
a0 a1 a2 a3
x(t)
y(t)
(1) (­3) (3) (­1)
b1 b2
(­1.2128) (0.7234)
MTI Filter
Link tronic
Procesamiento Práctico
Procesamiento Práctico
El Sistema Completo de Procesamiento contiene detectores con mapas que dividen el área de
vigilancia en celdas, usualmente uno o dos millones. Cada celda integra la señal en el tiempo,
identificando la presencia de blancos transitorios.
Las detecciones son sumadas y analizadas produciendo mensajes de computador con la
demarcación y distancia del blanco.
Radar Video
Channel
Norm al
Detector
M ap
M ap
Channel
M TI
Detector
M ap
M ap
Channel
M C
Detector
M ap
M ap
M TI
Filter
M TI
Filter
Velocity
Compensation
R, Theta
R, Theta
R, Theta
Map
R, Theta
Map
R, Theta
M ode
Norm al
Com biner
Hit
Parameter Map
Plot
Autom atic
Extractor
Plots
FP
FP
El filtro MTI remueve el clutter fijo como
montañas, pero el clutter móvil, como
nubes, persiste.
Un procesador estima la velocidad del
clutter móvil sobre áreas y lo compensa
llevando la velocidad del área a cero.
Esta señal se filtra nuevamente en un
MTI.
Link tronic
Procesamiento SAR
Procesamiento SAR
► Procesamiento SAR (Radar de
Procesamiento SAR (Radar de
Apertura Sintética) es capaz de
Apertura Sintética) es capaz de
producir imágenes a partir de
producir imágenes a partir de
señales de radar, siempre y
señales de radar, siempre y
cuando, el radar esta en
cuando, el radar esta en
movimiento
movimiento
► Usando datos coleccionados a
Usando datos coleccionados a
través de un movimiento
través de un movimiento
longitudinal, se aplica
longitudinal, se aplica
convolución en dos ejes para
producir una mayor resolución
Link tronic
Típico Algoritmo de Procesamiento SAR
Típico Algoritmo de Procesamiento SAR
Link tronic
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R
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► Se usa sucesivas
Se usa sucesivas
correlaciones y
correlaciones y
Transformadas de
Transformadas de
Fourier para
Fourier para
comprimir los
comprimir los
datos obtenidos
datos obtenidos
(miles y miles)
(miles y miles)
para obtener
para obtener
resoluciones
resoluciones
alrededor de 1m
alrededor de 1m
Imagen SAR obtenido con un Radar a
Imagen SAR obtenido con un Radar a
35GHz
35GHz
Link tronic
Ft. Devens, MA
35 GHZ
HH Polarization
± 20 Deg Depression Angle
Radar de Penetración Terrestre
Radar de Penetración Terrestre
(GPR)
(GPR)
► Los GPR son generalmente del tipo
Los GPR son generalmente del tipo
FMCW. Es decir, la transmisión es
FMCW. Es decir, la transmisión es
continua, pero modulada con una
continua, pero modulada con una
señal diente de sierra.
señal diente de sierra.
► Comparando las señales recibidas
Comparando las señales recibidas
con la señal de transmisión produce
con la señal de transmisión produce
frecuencias proporcionales a la
frecuencias proporcionales a la
distancia.
distancia.
► Un Transformado de Fourier retorna
Un Transformado de Fourier retorna
las señales al plano de tiempo
las señales al plano de tiempo
distancia.
distancia.
► Casi siempre GPR aplica
Casi siempre GPR aplica
procesamientos SAR a las señales
procesamientos SAR a las señales
obtenidas.
obtenidas.
Link tronic
Hasta donde funciona un radar GPR
Hasta donde funciona un radar GPR
► La atenuación de la
La atenuación de la
tierra es muy, muy alta.
tierra es muy, muy alta.
► En el ejemplo, la
En el ejemplo, la
máxima distancia
máxima distancia
corresponde a 10m
corresponde a 10m
► Las frecuencias
Las frecuencias
necesarias son muy
necesarias son muy
bajas, por lo que
bajas, por lo que
empeora la resolución
empeora la resolución
obtenible
obtenible
Link tronic
Dos Ejemplos
Dos Ejemplos
► Linktronic actualmente trabaja en dos radares para investigación
Linktronic actualmente trabaja en dos radares para investigación
terrestre
terrestre
► En conjunto con UC y el Ejercito, estamos desarrollando un radar de
En conjunto con UC y el Ejercito, estamos desarrollando un radar de
helicóptero del tipo “Stepped Frequency Radar” para la localización de
helicóptero del tipo “Stepped Frequency Radar” para la localización de
minas antipersonles. La penetración estimada es de 1m. Con
minas antipersonles. La penetración estimada es de 1m. Con
procesamiento SAR se pretende obtener una imagen del subsuelo y la
procesamiento SAR se pretende obtener una imagen del subsuelo y la
ubicación de las minas en 3D.
ubicación de las minas en 3D.
► En conjunto con el Centro de Estudios Científicos y la Armada, estamos
En conjunto con el Centro de Estudios Científicos y la Armada, estamos
desarrollando un radar del tipo impulso, con frecuencia de 1MHz, (la
desarrollando un radar del tipo impulso, con frecuencia de 1MHz, (la
antena tiene 600m), para la investigación de los glaciares. La
antena tiene 600m), para la investigación de los glaciares. La
penetración estimada es de 2Km en hielo templado. Se usara
penetración estimada es de 2Km en hielo templado. Se usara
procesamiento SAR para producir perfiles de la profundidad de los
procesamiento SAR para producir perfiles de la profundidad de los
glaciares.
glaciares.
Link tronic
Importancia de DSP en Radares
Importancia de DSP en Radares
► Es inconcebible, la operación de un radar moderno sin el uso de varios DSP
Es inconcebible, la operación de un radar moderno sin el uso de varios DSP
embedded en su estructura
embedded en su estructura
► Los avances en velocidad, tanto de los DSP como los Convertidores Analógico
Los avances en velocidad, tanto de los DSP como los Convertidores Analógico
Digital, significan que los DSP abarcan más y más de las áreas anteriormente
Digital, significan que los DSP abarcan más y más de las áreas anteriormente
analógicas, como es el receptor
analógicas, como es el receptor
► Nuevas funciones y matemáticas avanzadas empujan el DSP a ocupar una
Nuevas funciones y matemáticas avanzadas empujan el DSP a ocupar una
posición cada día mas relevante en el radar, en particular en las áreas de
posición cada día mas relevante en el radar, en particular en las áreas de
identificación de blancos, detección optimizada a través de señales especiales y
identificación de blancos, detección optimizada a través de señales especiales y
sistemas Adaptivos en Espacio y Tiempo.
sistemas Adaptivos en Espacio y Tiempo.
► Otras aplicaciones son Radares de Apertura Sintética en Tiempo Real y Radares
Otras aplicaciones son Radares de Apertura Sintética en Tiempo Real y Radares
de Frecuencia Escalonada, ambas usadas para producir imágenes radáricas.
de Frecuencia Escalonada, ambas usadas para producir imágenes radáricas.
► La Compresión de Pulso, es una técnica usada extensivamente en otras áreas,
La Compresión de Pulso, es una técnica usada extensivamente en otras áreas,
como la Ecografía Ultrasónica
como la Ecografía Ultrasónica
► La Convolución, es una herramienta matemática vital en muchas áreas,
La Convolución, es una herramienta matemática vital en muchas áreas,
particularmente en el procesamiento digital de imágenes.
particularmente en el procesamiento digital de imágenes.
Link tronic
Fin de la Presentación
Fin de la Presentación
Link tronic
Muchas gracias por su atención
Muchas gracias por su atención
Espero que hayan aprendido algo sobre radares a pesar
Espero que hayan aprendido algo sobre radares a pesar
de los faltas de ortografía.
de los faltas de ortografía.
Steven Lorimer
Steven Lorimer
Gerente de Ingeniería
Gerente de Ingeniería
Linktronic
Linktronic

Sistemas_Radar_Procesamiento_TiempoReal.pdf

  • 1.
    Sistemas de Radary Sistemas de Radar y Procesamiento en Tiempo Real Procesamiento en Tiempo Real Link tronic
  • 2.
    Historia del Radar Historiadel Radar (muy breve) (muy breve) Link tronic En 1864 James Clerk Maxwell (the only real genius) postulo la existencia de radiación electromagnética En 1888 Heinrich Hertz demostró la radiación electromagnética con este equipo
  • 3.
    Primer Radar Primer Radar Linktronic Huelsmeyer’s Telemobiloscope En 1904 el Alemán Huelsmeyer detecta buques a 3Km
  • 4.
    Principios de losradares modernos Principios de los radares modernos Link tronic En 1935 Randall y Boot de la Universidad de Birmingham inventan el magnetrón que permite producir mucha potencia a frecuencias altas – 100KW a 2MW y 1,000 a 10,000MHz Robert Watson Watt trabaja por un premio de 1000 libras por la primer persona que mata un cordero a 100m usando un ‘rayo de la muerte’. Logro detectar aviones a 100Km pero el cordero siguió vivo!!
  • 5.
    El Magnetrón El Magnetrón Linktronic El magnetrón fue el El magnetrón fue el principal elemento de principal elemento de transmisión de transmisión de energía energía electromagnética electromagnética desde 1940 hasta el desde 1940 hasta el década de los 80 década de los 80 Aun que el magnetrón puede producir mucho potencia – hasta 3MW – sufre de un gran defecto, su transmisión no es coherente. Es decir, las fases de las transmisiones son desconocidas y aleatorias. Además, la frecuencia de transmisión puede variar sobre rangos pequeños con variaciones en la fuente de poder y VSWR de la carga
  • 6.
    Frecuencias de operaciónde los Radares Frecuencias de operación de los Radares Link tronic
  • 7.
    Dos personas muyimportantes en el mundo Dos personas muy importantes en el mundo del radar del radar Link tronic Jean Baptiste Joseph Fourier 1768 – 1830 Aunque tiene cara de farrero, creó las series de Fourier, fundamento de gran parte del procesamiento digital que se aplica en un radar Johann Christian Andreas Doppler 1803 – 1853, descubridor del efecto Doppler que permite, entre otras cosas, discriminar entre blancos fijos y móviles.
  • 8.
    Clasificación de losRadares por Forma de Clasificación de los Radares por Forma de Onda Transmitido Onda Transmitido Link tronic
  • 9.
    Principio Básico deun Radar de Vigilancia Principio Básico de un Radar de Vigilancia Potencia Duración Transm itter Receiver Signal Generator Processor Display Todas las Senales Inform ación Util Energia Clutter Blancos Link tronic
  • 10.
    Radar Coherente conTWT de 50KW diseñado Radar Coherente con TWT de 50KW diseñado y fabricado por Linktronic y fabricado por Linktronic Link tronic Este radar transmite pulsos de hasta 96uS que se comprimen a 250nS. Detecta aviones sobre 300Km de distancia
  • 11.
    Origen y elporqué de la solución Origen y el porqué de la solución Energía y Duración Energía y Duración ► La energía recibida desde un blanco determinado es proporcional a la energía La energía recibida desde un blanco determinado es proporcional a la energía transmitida transmitida ► El límite de la detección es cuando la energía recibida de un blanco iguala la El límite de la detección es cuando la energía recibida de un blanco iguala la energía del ruido en el ancho de banda del receptor (bueno, no exactamente) energía del ruido en el ancho de banda del receptor (bueno, no exactamente) ► El ancho de banda del receptor debe corresponder con la duración del pulso. El ancho de banda del receptor debe corresponder con la duración del pulso. Idealmente, el receptor debe ser un Matched Filter para maximizar la señal con la Idealmente, el receptor debe ser un Matched Filter para maximizar la señal con la mínima cantidad de ruido mínima cantidad de ruido ► Incrementando la energía por mayor potencia tiene limites prácticos y financieros. Incrementando la energía por mayor potencia tiene limites prácticos y financieros. Grandes potencias requieren de grandes fuentes de poder y mucho enfriamiento. Grandes potencias requieren de grandes fuentes de poder y mucho enfriamiento. ► Incrementando energía por duración reduce el ancho de banda del receptor y la Incrementando energía por duración reduce el ancho de banda del receptor y la energía del ruido, pero disminuye la resolución, la capacidad de resolver dos energía del ruido, pero disminuye la resolución, la capacidad de resolver dos blancos cercanos blancos cercanos ► Mayor duración también aumenta el nivel de señal del clutter por el mayor Mayor duración también aumenta el nivel de señal del clutter por el mayor volumen iluminado volumen iluminado Potencia Duración Energia Link tronic
  • 12.
    Energía y Potencia Energíay Potencia ► Mayor potencia produce mayor energía, pero existe problemas con Mayor potencia produce mayor energía, pero existe problemas con los subsistemas del radar como guías de onda, antenas y el los subsistemas del radar como guías de onda, antenas y el volumen y costo del transmisor volumen y costo del transmisor ► Transmisores antiguos usaban Magnetrones para producir Transmisores antiguos usaban Magnetrones para producir potencias en el orden de 1 a 4MW con pulsos de duración entre 1 a potencias en el orden de 1 a 4MW con pulsos de duración entre 1 a 4uS – 1 a 16J 4uS – 1 a 16J ► Magnetrones son elementos no­coherentes, cuya estabilidad limita Magnetrones son elementos no­coherentes, cuya estabilidad limita la capacidad de diferenciar entre clutter y blanco. la capacidad de diferenciar entre clutter y blanco. ► Transmisores con TWT o de Estado Sólido, son totalmente Transmisores con TWT o de Estado Sólido, son totalmente coherentes (o lineales), pero de mucha menor potencia ­ 5 a coherentes (o lineales), pero de mucha menor potencia ­ 5 a 100KW, aun que existe Klistrones (Klystrons) que producen mas de 100KW, aun que existe Klistrones (Klystrons) que producen mas de 10MW 10MW ► Entonces ¿ Entonces ¿Como conseguir la energía requerida a menor potencia? Como conseguir la energía requerida a menor potencia? Mayor duración y mejor resolución por medio de la Compresión Mayor duración y mejor resolución por medio de la Compresión Digital de Pulsos Digital de Pulsos Potencia Duración Energia Link tronic
  • 13.
    Compresión Digital dePulsos Compresión Digital de Pulsos el Grial del Ingeniero de Radar el Grial del Ingeniero de Radar ► La convolución de dos señales La convolución de dos señales expresan el grado de correlación expresan el grado de correlación que existe a distintos tiempos que existe a distintos tiempos ► Cuando las señales se traslapan Cuando las señales se traslapan perfectamente, la convolución es perfectamente, la convolución es máxima máxima ► Señales ideales son aquellas Señales ideales son aquellas cuya convolución es mínima en cuya convolución es mínima en todo momento, excepto todo momento, excepto alineamiento perfecto alineamiento perfecto Link tronic
  • 14.
    Formas de Onda Formasde Onda ► Existen distintas señales digitales como códigos Frank y Barker, Existen distintas señales digitales como códigos Frank y Barker, otras secuencias con múltiples fases y combinaciones incluyendo otras secuencias con múltiples fases y combinaciones incluyendo códigos seudo­aleatorios códigos seudo­aleatorios ► La limitación de estos códigos es el valor Bt, el producto del ancho La limitación de estos códigos es el valor Bt, el producto del ancho de banda y la duración del pulso. Es la cantidad básica de de banda y la duración del pulso. Es la cantidad básica de compresión disponible, por ejemplo, los códigos Barker tienen un Bt compresión disponible, por ejemplo, los códigos Barker tienen un Bt máximo de 13 máximo de 13 ► La mayoría de las señales usadas son entonces analógicas, y La mayoría de las señales usadas son entonces analógicas, y consisten en un barrido continuo de frecuencia por la duración del consisten en un barrido continuo de frecuencia por la duración del pulso pulso ► El Bt de un pulso de 100uS de duración y 1MHz de barrido es 100 y El Bt de un pulso de 100uS de duración y 1MHz de barrido es 100 y el pulso comprimido tendrá un ancho de 1uS el pulso comprimido tendrá un ancho de 1uS ► Un Bt de 100 significa que un transmisor de 50KW se comporta Un Bt de 100 significa que un transmisor de 50KW se comporta como un transmisor no­lineal de 5MW como un transmisor no­lineal de 5MW Link tronic
  • 15.
    Compresión Básica Compresión Básica ►La señal transmitida es un barrido La señal transmitida es un barrido desde – desde –∆ ∆B/2 B/2 a a ∆ ∆B/2, B/2, por ejemplo, de B por ejemplo, de B = 5MHz y la duración es 50uS = 5MHz y la duración es 50uS ► El pulso comprimido concentra la El pulso comprimido concentra la energía de la señal sobre un tiempo energía de la señal sobre un tiempo =1/B, 200nS, pero tiene lóbulos =1/B, 200nS, pero tiene lóbulos laterales en el tiempo correspondientes laterales en el tiempo correspondientes a la función SincX, ­13dB a la función SincX, ­13dB ► La aplicación de una ventana Hamming La aplicación de una ventana Hamming a los datos, reduce los lóbulos a ­40dB a los datos, reduce los lóbulos a ­40dB ­2 ­1.8 ­1.6 ­1.4 ­1.2 ­1 ­0.8 ­0.6 ­0.4 ­0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 ­70 ­68 ­65 ­63 ­60 ­58 ­55 ­53 ­50 ­48 ­45 ­43 ­40 ­38 ­35 ­33 ­30 ­28 ­25 ­23 ­20 ­18 ­15 ­13 ­10 ­8 ­5 ­3 0 Pulso Comprimido Sin Compensación Tiempo uS Amplitud dB Row 500Row 518Row 536Row 554Row 572Row 590Row 608Row 626Row 644Row 662Row 680Row 698Row 716Row 734Row 752Row 770Row 788Row 806 ­1 ­0.9 ­0.8 ­0.7 ­0.6 ­0.5 ­0.4 ­0.3 ­0.2 ­0.1 0 0.1 Link tronic
  • 16.
    Compresión Práctica Compresión Práctica 10MHz 80MHz Clock 12Bit A/D Converter 12 Clock 0 90 I Q AD9432 16 Filter X 8 Decimation Adjust Gain Format Output 992­4­0034 Pulse Reference Conjugate Complex FFT 4096 Point 0 90 I Q 16 IFFT 4096 Point Rounding Normalization Buffer Data W eighting Switch Spectrum Complex Multiply Floating Point Video O utput Digital Receiver Floating Point Pulse Compression 10MHz Tx Rx 16 80MHz Excitador G enerador Temporización de Señales Xilinx Virtex II 3000 Nrm/Ref y Control Sistema práctico de compresión, usando un Receptor Digital y una Convolución basada en el uso de la Transformada de Fourier en punto flotante Link tronic
  • 17.
    Resultados Prácticos dela Compresión Resultados Prácticos de la Compresión Digital de Pulsos Digital de Pulsos ► Avión a 90Km del radar Avión a 90Km del radar ► Note el clutter terrestre que Note el clutter terrestre que rodea el radar rodea el radar ► Radar de 50KW Radar de 50KW transmitiendo pulso de transmitiendo pulso de 30uS con un barrido de 30uS con un barrido de 4MHz comprimido con 4MHz comprimido con pesaje Hamming pesaje Hamming Link tronic
  • 18.
    La Segunda AplicaciónImportante La Segunda Aplicación Importante La búsqueda de la Información útil La búsqueda de la Información útil ► Dada la coherencia en las señales Dada la coherencia en las señales transmitidas, los retornos de blancos transmitidas, los retornos de blancos estables son siempre en la misma fase estables son siempre en la misma fase y contienen cero Doppler y contienen cero Doppler ► Los blancos de interés son Los blancos de interés son generalmente en movimiento, y por generalmente en movimiento, y por ende su fase, pulso a pulso, cambia. ende su fase, pulso a pulso, cambia. Esto es su frecuencia Doppler Esto es su frecuencia Doppler ► Para radares de bajo PRF, los Doppler Para radares de bajo PRF, los Doppler son ambiguos, y todas las señales son son ambiguos, y todas las señales son dobladas adentro del rango del PRF dobladas adentro del rango del PRF ► Por medio de un filtro, se puede separar Por medio de un filtro, se puede separar los objetos en movimiento de los que los objetos en movimiento de los que están estacionarios están estacionarios Link tronic
  • 19.
    El Filtro MTI ElFiltro MTI (Indicador de Blancos Móviles) (Indicador de Blancos Móviles) ► La más simple implementación es La más simple implementación es el FIR de Pasa Alta, que es el FIR de Pasa Alta, que es simétrico alrededor de la frecuencia simétrico alrededor de la frecuencia de muestreo, en este caso, la de muestreo, en este caso, la frecuencia de repetición del radar frecuencia de repetición del radar (PRF) (PRF) ► En un MTI, las frecuencias En un MTI, las frecuencias corresponden a las velocidades corresponden a las velocidades radiales de los blancos. Los radiales de los blancos. Los blancos con mayor velocidad que el blancos con mayor velocidad que el PRF del radar se doblan hacia PRF del radar se doblan hacia abajo al espacio entre cero y PRF abajo al espacio entre cero y PRF Z ­1 Z ­1 Z ­1 a0 a1 a2 a3 x(t) y(t) Basic FIR High Pass Filter (1) (­3) (3) (­1) MTI Filter La respuesta del filtro es deficiente por la atenuación cercana a los bordes Link tronic
  • 20.
    El Filtro MTI ElFiltro MTI ► Con un filtro IIR y valores de Con un filtro IIR y valores de retroalimentación de Punto Flotante, la retroalimentación de Punto Flotante, la respuesta del filtro es mejorada respuesta del filtro es mejorada significativamente significativamente ► Dependiendo de la estabilidad del radar Dependiendo de la estabilidad del radar y la composición del clutter, el espectro y la composición del clutter, el espectro del clutter puede ocupar mas o menos del clutter puede ocupar mas o menos área bajo el filtro área bajo el filtro ► La nula respuesta alrededor de la PRF La nula respuesta alrededor de la PRF es solucionada introduciendo variaciones es solucionada introduciendo variaciones en la PRF llamado Stagger. Este modula en la PRF llamado Stagger. Este modula la frecuencia de alias de las señales y la frecuencia de alias de las señales y mueve el null hacia arriba y abajo, las mueve el null hacia arriba y abajo, las variaciones de lo cual están integradas variaciones de lo cual están integradas sobre varias PRF sobre varias PRF Principio Básico La repuesta del filtro es deficiente por la atenuación cerca las bordes Z ­1 Z ­1 Z ­1 a0 a1 a2 a3 x(t) y(t) (1) (­3) (3) (­1) b1 b2 (­1.2128) (0.7234) MTI Filter Link tronic
  • 21.
    Procesamiento Práctico Procesamiento Práctico ElSistema Completo de Procesamiento contiene detectores con mapas que dividen el área de vigilancia en celdas, usualmente uno o dos millones. Cada celda integra la señal en el tiempo, identificando la presencia de blancos transitorios. Las detecciones son sumadas y analizadas produciendo mensajes de computador con la demarcación y distancia del blanco. Radar Video Channel Norm al Detector M ap M ap Channel M TI Detector M ap M ap Channel M C Detector M ap M ap M TI Filter M TI Filter Velocity Compensation R, Theta R, Theta R, Theta Map R, Theta Map R, Theta M ode Norm al Com biner Hit Parameter Map Plot Autom atic Extractor Plots FP FP El filtro MTI remueve el clutter fijo como montañas, pero el clutter móvil, como nubes, persiste. Un procesador estima la velocidad del clutter móvil sobre áreas y lo compensa llevando la velocidad del área a cero. Esta señal se filtra nuevamente en un MTI. Link tronic
  • 22.
    Procesamiento SAR Procesamiento SAR ►Procesamiento SAR (Radar de Procesamiento SAR (Radar de Apertura Sintética) es capaz de Apertura Sintética) es capaz de producir imágenes a partir de producir imágenes a partir de señales de radar, siempre y señales de radar, siempre y cuando, el radar esta en cuando, el radar esta en movimiento movimiento ► Usando datos coleccionados a Usando datos coleccionados a través de un movimiento través de un movimiento longitudinal, se aplica longitudinal, se aplica convolución en dos ejes para producir una mayor resolución Link tronic
  • 23.
    Típico Algoritmo deProcesamiento SAR Típico Algoritmo de Procesamiento SAR Link tronic c r c r Lin-L og D FC R ang eD e skew IP F C P F c r A z R ip pleC o rr. P o la rTap R a ng e TaylorW t. R an ge C om p. A z C om p. C om p le x Im ag e Ta p C TM# P o la rR eform at D E T Des k ewP has e Change # Fo rm u ltipleing est,this be co m esa nou t-o f-m e m o rytran sp ose . @G lob al. B a sedup ona ll da ta . M ultipleIngestF low : V ectorS ubsetLoop V ectorS ubsetLoop(continued) R angeS ubsetLoop R angeS ubsetLoop(continued) R em apLoop R em ap @ 2 6 7 9 13 14 15 19 20 FFT1 R FG 2 A R FG 2B FFT2 C A F R FG 4 FFT3 C TM 1 FFT4 R FG 6 12 8 RangeRipple Correc tion c c 11 C o m ple x A rra yFilte r c r A z Taylo rW t. 18 R FG 5 23 M ag nitude D ete ct 27 L LE L LE O FR 1 28 D ataForm a t C o ntro l O utp ut Form at C hain1 C hain2 C hain3 C hain4 -1 + 1 -1 -1 21 S yntheticT arget P haseH istory G enerator S yntarg 16 W rite S u bset 17 R e ad S ub set 25 W rite S ubset 26 R e ad S u bset ► Se usa sucesivas Se usa sucesivas correlaciones y correlaciones y Transformadas de Transformadas de Fourier para Fourier para comprimir los comprimir los datos obtenidos datos obtenidos (miles y miles) (miles y miles) para obtener para obtener resoluciones resoluciones alrededor de 1m alrededor de 1m
  • 24.
    Imagen SAR obtenidocon un Radar a Imagen SAR obtenido con un Radar a 35GHz 35GHz Link tronic Ft. Devens, MA 35 GHZ HH Polarization ± 20 Deg Depression Angle
  • 25.
    Radar de PenetraciónTerrestre Radar de Penetración Terrestre (GPR) (GPR) ► Los GPR son generalmente del tipo Los GPR son generalmente del tipo FMCW. Es decir, la transmisión es FMCW. Es decir, la transmisión es continua, pero modulada con una continua, pero modulada con una señal diente de sierra. señal diente de sierra. ► Comparando las señales recibidas Comparando las señales recibidas con la señal de transmisión produce con la señal de transmisión produce frecuencias proporcionales a la frecuencias proporcionales a la distancia. distancia. ► Un Transformado de Fourier retorna Un Transformado de Fourier retorna las señales al plano de tiempo las señales al plano de tiempo distancia. distancia. ► Casi siempre GPR aplica Casi siempre GPR aplica procesamientos SAR a las señales procesamientos SAR a las señales obtenidas. obtenidas. Link tronic
  • 26.
    Hasta donde funcionaun radar GPR Hasta donde funciona un radar GPR ► La atenuación de la La atenuación de la tierra es muy, muy alta. tierra es muy, muy alta. ► En el ejemplo, la En el ejemplo, la máxima distancia máxima distancia corresponde a 10m corresponde a 10m ► Las frecuencias Las frecuencias necesarias son muy necesarias son muy bajas, por lo que bajas, por lo que empeora la resolución empeora la resolución obtenible obtenible Link tronic
  • 27.
    Dos Ejemplos Dos Ejemplos ►Linktronic actualmente trabaja en dos radares para investigación Linktronic actualmente trabaja en dos radares para investigación terrestre terrestre ► En conjunto con UC y el Ejercito, estamos desarrollando un radar de En conjunto con UC y el Ejercito, estamos desarrollando un radar de helicóptero del tipo “Stepped Frequency Radar” para la localización de helicóptero del tipo “Stepped Frequency Radar” para la localización de minas antipersonles. La penetración estimada es de 1m. Con minas antipersonles. La penetración estimada es de 1m. Con procesamiento SAR se pretende obtener una imagen del subsuelo y la procesamiento SAR se pretende obtener una imagen del subsuelo y la ubicación de las minas en 3D. ubicación de las minas en 3D. ► En conjunto con el Centro de Estudios Científicos y la Armada, estamos En conjunto con el Centro de Estudios Científicos y la Armada, estamos desarrollando un radar del tipo impulso, con frecuencia de 1MHz, (la desarrollando un radar del tipo impulso, con frecuencia de 1MHz, (la antena tiene 600m), para la investigación de los glaciares. La antena tiene 600m), para la investigación de los glaciares. La penetración estimada es de 2Km en hielo templado. Se usara penetración estimada es de 2Km en hielo templado. Se usara procesamiento SAR para producir perfiles de la profundidad de los procesamiento SAR para producir perfiles de la profundidad de los glaciares. glaciares. Link tronic
  • 28.
    Importancia de DSPen Radares Importancia de DSP en Radares ► Es inconcebible, la operación de un radar moderno sin el uso de varios DSP Es inconcebible, la operación de un radar moderno sin el uso de varios DSP embedded en su estructura embedded en su estructura ► Los avances en velocidad, tanto de los DSP como los Convertidores Analógico Los avances en velocidad, tanto de los DSP como los Convertidores Analógico Digital, significan que los DSP abarcan más y más de las áreas anteriormente Digital, significan que los DSP abarcan más y más de las áreas anteriormente analógicas, como es el receptor analógicas, como es el receptor ► Nuevas funciones y matemáticas avanzadas empujan el DSP a ocupar una Nuevas funciones y matemáticas avanzadas empujan el DSP a ocupar una posición cada día mas relevante en el radar, en particular en las áreas de posición cada día mas relevante en el radar, en particular en las áreas de identificación de blancos, detección optimizada a través de señales especiales y identificación de blancos, detección optimizada a través de señales especiales y sistemas Adaptivos en Espacio y Tiempo. sistemas Adaptivos en Espacio y Tiempo. ► Otras aplicaciones son Radares de Apertura Sintética en Tiempo Real y Radares Otras aplicaciones son Radares de Apertura Sintética en Tiempo Real y Radares de Frecuencia Escalonada, ambas usadas para producir imágenes radáricas. de Frecuencia Escalonada, ambas usadas para producir imágenes radáricas. ► La Compresión de Pulso, es una técnica usada extensivamente en otras áreas, La Compresión de Pulso, es una técnica usada extensivamente en otras áreas, como la Ecografía Ultrasónica como la Ecografía Ultrasónica ► La Convolución, es una herramienta matemática vital en muchas áreas, La Convolución, es una herramienta matemática vital en muchas áreas, particularmente en el procesamiento digital de imágenes. particularmente en el procesamiento digital de imágenes. Link tronic
  • 29.
    Fin de laPresentación Fin de la Presentación Link tronic Muchas gracias por su atención Muchas gracias por su atención Espero que hayan aprendido algo sobre radares a pesar Espero que hayan aprendido algo sobre radares a pesar de los faltas de ortografía. de los faltas de ortografía. Steven Lorimer Steven Lorimer Gerente de Ingeniería Gerente de Ingeniería Linktronic Linktronic