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パルスドップラー信号処理は、レーダーおよびCEUS のパフォーマンス向上戦略であり、これにより、低速で移動する大きな物体の近くで高速で移動する小さな物体を検出できます。検出性能は 1,000,000:1 程度向上することが一般的です。地形の近く、海面近く、および嵐の中で高速で移動する小さな物体を識別できます。
この信号処理戦略は、パルスドップラーレーダーやマルチモードレーダーで使用され、コンピュータソフトウェアやオペレータに負担をかけずに、低速で移動する反射体が多数存在する領域にレーダーを向けることができます。移動ターゲット表示などの他の信号処理戦略は、無害で晴れた青空の環境に適しています。
ドップラー超音波検査で血流を測定するためにも使用されます。
環境
パルスドップラーは、アンテナまたはトランスデューサーを介して送信されるコヒーレントパルスから始まります。
送信パルスには変調はありません。各パルスは、完全にコヒーレントなトーンの完全にクリーンなスライスです。コヒーレントなトーンは、ローカル発振器によって生成されます。
アンテナと反射器の間には数十の送信パルスが存在する可能性があります。過酷な環境では、低速で移動する物体や静止した物体からの反射が数百万回発生する可能性があります。
送信パルスはパルス繰り返し周波数で送信されます。
送信パルスからのエネルギーは、反射体によって妨害されるまで空間を伝播します。この妨害により、送信エネルギーの一部が、動きによる位相変調とともにレーダー アンテナまたはトランスデューサーに反射されます。送信パルスを生成するために使用される同じトーンは、受信信号をベースバンドにダウンコンバートするためにも使用されます。
ベースバンドにダウンコンバートされた反射エネルギーがサンプリングされます。
各送信パルスが消えた後にサンプリングが始まります。これが送信機の休止段階です。
静止フェーズは、等間隔のサンプル間隔に分割されます。サンプルは、レーダーが次の送信パルスを発射し始めるまで収集されます。
各サンプルのパルス幅は送信パルスのパルス幅と一致します。
パルスドップラー フィルターへの入力として機能するには、十分なサンプルを取得する必要があります。
サンプリング
局部発振器は 90 度ずれた 2 つの信号に分割され、それぞれが受信信号と混合されます。この混合により I(t) と Q(t) が生成されます。送信信号の位相コヒーレンスはパルス ドップラー動作にとって重要です。図の上部は I/Q の波面の位相を示しています。
この図に示されている各ディスクは、複数の送信パルスから取得された単一のサンプル、つまり送信周期 (1/PRF) だけオフセットされた同じサンプルを表します。これがあいまいな範囲です。各サンプルは類似していますが、表示されているものより 1 つ以上のパルス幅だけ遅れています。各サンプルの信号は、複数の範囲での反射からの信号で構成されています。
この図は反時計回りの螺旋を示しており、これは入ってくる動きに対応しています。これは上方向のドップラーです。下方向のドップラーは時計回りの螺旋を生成します。
ウィンドウ
デジタル サンプリングのプロセスにより、低速で移動する物体からの反射信号を除去するために使用されるフィルターでリンギングが発生します。サンプリングにより、純音の入力に対して、実際の信号に隣接して周波数サイドローブが生成されます。ウィンドウ処理により、サンプリング プロセスによって誘発されるサイドローブが抑制されます。
ウィンドウは、フィルターへの入力として使用されるサンプルの数です。
ウィンドウ プロセスは一連の複素定数を受け取り、サンプルがフィルターに適用される前に、各サンプルを対応するウィンドウ定数で乗算します。
ドルフ・チェビシェフ ウィンドウは、最適な処理サイドローブ抑制を提供します。
フィルタリング
パルス ドップラー信号処理では、反射された信号を複数の周波数フィルターに分離します。あいまいな範囲ごとに個別のフィルター セットがあります。上記のIおよびQサンプルは、フィルタリング プロセスを開始するために使用されます。
これらのサンプルは、図の上半分に示されている 時間領域サンプルのm × n マトリックスに編成されます。
時間領域のサンプルはデジタルフィルタを使用して周波数領域に変換されます。これには通常、高速フーリエ変換(FFT) が含まれます。信号処理中にサイドローブが生成されるため、誤報を減らすにはドルフ・チェビシェフ窓関数などのサイドローブ抑制戦略が必要です。 [1]
サンプル 1 のサンプル期間から取得されたすべてのサンプルは、最初のフィルター セットへの入力となります。これが最初のあいまいな範囲間隔です。
サンプル 2 のサンプル期間から取得されたすべてのサンプルは、2 番目のフィルター セットへの入力となります。これが 2 番目のあいまいな範囲間隔です。
これは、サンプル N のサンプル期間から取得されたサンプルが最後のフィルター セットへの入力を形成するまで続きます。これが最も遠いあいまいな範囲間隔です。
その結果、各曖昧な範囲は、その範囲のすべてのドップラー周波数に対応する個別のスペクトルを生成します。
デジタル フィルタは、サンプリングに使用される送信パルスの数と同じ数の周波数出力を生成します。1024 個の周波数出力を持つ 1 つの FFT を生成するには、入力に 1024 個の送信パルスが必要です。
検出
パルスドップラーの検出処理では、距離サンプルの 1 つからの FFT 出力の 1 つに対応するあいまいな距離とあいまいな速度が生成されます。反射は、気象現象、地形、航空機を各距離で異なる速度ゾーンに分離する、異なる周波数に対応するフィルターに分類されます。
信号が検出とみなされるには、複数の同時基準が必要です。
一定の誤警報率処理は、各 FFT 出力を調べて信号を検出するために使用されます。これは、背景ノイズや環境の影響に自動的に調整される適応型プロセスです。テスト対象のセルがあり、周囲のセルが合計され、定数で乗算されて、しきい値を確立するために使用されます。
![{\displaystyle {\text{閾値基準}}\left\{{\begin{aligned}\mathrm {セル} (n)>{}&[\mathrm {セル} (n-2)\\&{}+\mathrm {セル} (n-1)\\&{}+\mathrm {セル} (n+1)\\&{}+\mathrm {セル} (n+2)]\\&{}\times {\text{定数}}\end{aligned}}\right.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/96b2d54fe3ac60541b73ef6423a4bd8ae4855865)
検出箇所の周囲の領域を調べて、傾きの符号が から に変わるタイミングを判断します。このタイミングが検出箇所 (極大値) です。単一のあいまいな範囲の検出は、振幅の降順で並べ替えられます。
![{\displaystyle {\text{ピーク基準}}{\begin{cases}\left({\frac {\Delta {\text{振幅}}}{\Delta {\text{周波数}}}}\right)\mathrm {セル} (n-1)<0\\[6pt]\left({\frac {\Delta {\text{振幅}}}{\Delta {\text{周波数}}}}\right)\mathrm {セル} (n+1)>0\end{cases}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/885988d9be1c3e01b28c647decb010eaeb3fe4bb)
検出は、速度拒否設定を超える速度のみを対象とします。たとえば、速度拒否が時速 75 マイルに設定されている場合、雷雨の中で時速 50 マイルで移動する雹は検出されませんが、時速 100 マイルで移動する航空機は検出されます。
モノパルスレーダーの場合、信号処理はメインローブとサイドローブブランキングチャネルで同一です。これにより、物体の位置がメインローブ内にあるか、アンテナビームの上、下、左、右にオフセットされているかが識別されます。
これらすべての基準を満たす信号が検出されます。これらは振幅の降順（最大から最小）で並べ替えられます。
分類された検出結果は、範囲の曖昧さを解決するアルゴリズムで処理され、ターゲット反射の実際の範囲と速度が識別されます。
曖昧さの解決
パルスドップラー レーダーでは、レーダーと反射器の間に 50 個以上のパルスが存在する場合があります。
パルス ドップラーは、約 3 kHz ～ 30 kHz の中程度のパルス繰り返し周波数 (PRF) に依存します。各送信パルスは、5 km ～ 50 km の距離で分離されます。
ターゲットの距離と速度は、サンプリング プロセスによって生成される モジュロ演算によって折り畳まれます。
実際の範囲は、あいまいさ解決プロセスを使用して検出されます。
複数の PRF から受信した信号は、範囲の曖昧さ解決プロセスを使用して比較されます。
受信信号は、周波数の不明確さを解決するプロセスを使用して比較されます。
ロック
反射体の速度は、短時間における反射体の範囲の変化を測定することによって決定されます。この範囲の変化を時間で割って速度を決定します。
検出にはドップラー周波数を使用して速度も求められます。
2 つの値を減算し、その差を簡単に平均化します。
平均差がしきい値を下回ると、信号はロックされます。
ロックとは、信号がニュートン力学に従うことを意味します。有効な反射器はロックを生成します。無効な信号はロックしません。無効な反射には、ヘリコプターのブレードのようなものが含まれます。この場合、ドップラー効果は、乗り物が空中を移動する速度と一致しません。無効な信号には、レーダー妨害や欺瞞など、送信機とは別のソースによって生成されたマイクロ波が含まれます。
ロック信号を生成しないリフレクターは、従来の技術では追跡できません。つまり、ヘリコプターなどの物体の場合は、機体の本体が拒否速度を下回る可能性があるため (ブレードのみが見える)、フィードバック ループを開く必要があります。
ロックを生成する検出の場合、トラックへの移行は自動的に行われます。
非ニュートン信号源の場合、追跡への移行は通常手動で行われますが、追加の信号処理を使用してプロセスを自動化できます。追跡データを作成するには、信号源の近くでドップラー速度フィードバックを無効にする必要があります。
追跡
特定の場所で検出が継続されると、トラック モードが開始されます。
追跡中、反射鏡の XYZ 位置は直交座標系を使用して決定され、反射鏡の XYZ 速度が測定されて将来の位置が予測されます。これは、カルマン フィルタの動作に似ています。XYZ 速度にスキャン間の時間を掛けて、アンテナの新しい照準点を決定します。
レーダーは極座標系を使用します。追跡位置は、将来のアンテナ位置の左右および上下の照準点を決定するために使用されます。アンテナは、ターゲットに最大のエネルギーを照射し、ターゲットの後ろに引きずられない位置に向ける必要があります。そうしないと、レーダーの効果が低下します。
反射体までの推定距離と測定距離を比較します。その差が距離誤差です。距離誤差は、トラック データの位置と速度の情報を修正するために使用されるフィードバック信号です。
ドップラー周波数は、位相ロック ループで使用されるフィードバックに類似した追加のフィードバック信号を提供します。これにより、位置と速度の情報の精度と信頼性が向上します。
追跡中に、反射器から返される信号の振幅と位相がモノパルスレーダー技術を使用して処理されます。これにより、アンテナの指向位置と物体の位置のオフセットが測定されます。これを角度誤差と呼びます。
各オブジェクトには、それぞれ独立したトラック情報が必要です。これはトラック履歴と呼ばれ、短時間に遡ります。空中のオブジェクトの場合、これは最大 1 時間まで遡ることがあります。水中のオブジェクトの場合、期間は 1 週間以上遡ることがあります。
オブジェクトが検出を生成するトラックはアクティブ トラックと呼ばれます。
何も検出されない場合、追跡は短時間継続されます。検出されない追跡は惰性で走行した追跡です。速度情報はアンテナの照準位置を推定するために使用されます。これらは短時間で中止されます。
各トラックには、ほぼフットボールの形をした周囲の捕捉ボリュームがあります。捕捉ボリュームの半径は、そのボリュームの連続スキャン間で検出可能な最速の車両が移動できる距離とほぼ同じで、パルスドップラーレーダーの受信機バンドパスフィルターによって決定されます。
惰力走行トラックのキャプチャ ボリューム内にある新しいトラックは、近くの惰力走行トラックのトラック履歴と相互相関されます。位置と速度に互換性がある場合は、惰力走行トラックの履歴が新しいトラックと結合されます。これを結合トラックと呼びます。
アクティブ トラックのキャプチャ ボリューム内の新しいトラックは、分割トラックと呼ばれます。
パルス ドップラー トラック情報には、オブジェクト領域、エラー、加速度、ロック状態が含まれます。これらは、結合トラックと分割トラックに関する決定ロジックの一部です。
ニュートン物理学を満たさない物体には他の戦略が使用されます。
通常、ユーザーには、トラック データと検出された生の信号からの情報を表示する複数のディスプレイが表示されます。
- プラン位置インジケータ
- 新しいトラック、分割トラック、結合トラックのスクロール通知
- 範囲振幅表示
- 範囲高度インジケータ
- 角度誤差表示
プラン位置インジケーターとスクロール通知は自動的に行われ、ユーザーの操作は必要ありません。残りの表示は、ユーザーがトラックを選択した場合にのみアクティブになり、追加情報を表示します。
参考文献
- ^ 「ドルフ・チェビシェフの窓」スタンフォード大学。 2011年1月29日閲覧。