ES2554331T3 - Procedimiento y equipo para la determinación de los gradientes de los ángulos de aspecto - Google Patents

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Abstract

Procedimiento para la determinación de los gradientes de los ángulos de aspecto bajo los que un RADAR ISAR de apertura sintética inversa montado en aeronaves o satélites ilumina un vehículo que circula por la carretera, y bajo los que se reflejan los ecos del vehículo al radar, utilizándose las propias señales del radar para la determinación del ángulo de aspecto, caracterizado por que a) a partir de las distancias y variaciones de la distancia averiguadas entre el sensor del radar y el vehículo, por una parte, y del trazado de la carretera, por otra parte, se determinan para cada momento de la toma, mediante la determinación de los puntos de intersección, las posiciones del vehículo y, con ayuda de conversiones geométricas, los vectores de velocidad del vehículo en estas posiciones; b) se fusionan las posiciones y los vectores de velocidad así obtenidos así como un modelo de movimiento para el vehículo con un procedimiento matemático. incluyéndose las contribuciones del modelo y de los valores de medición en el resultado en función de su importancia, con lo que se determinan la posición, la velocidad y la aceleración del vehículo con mayor precisión; c) el ángulo de aspecto de la iluminación del vehículo se determina para cada momento de la toma por medio de un cálculo geométrico a partir de la dirección visual entre el sensor del radar y el vehículo, es decir, la dirección de la línea de unión entre el sensor del radar y el vehículo resultante de las posiciones del sensor y del vehículo, y la dirección del vector de velocidad del vehículo cuya dirección coincide con el eje longitudinal del vehículo.

Description

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Procedimiento y equipo para la determinacion de los gradientes de los angulos de aspecto
Los modernos sensores de radar montados en aeronaves o satelites emplean el principio “Radar de apertura sintetica “ (SAR) para reproducir escenas estaticas. Ademas, la reproduccion de objetos en movimiento, por ejemplo vehfculos, con el procedimiento SAR inverso (ISAR) se esta convirtiendo actualmente cada vez mas en el centro de las exigencias de los sistemas de radar para la observacion de la tierra y la inteligencia militar. Aunque el movimiento del vehfculo aparezca en principio como interferencia del movimiento relativo entre el sensor del radar y el vehfculo, puede mejorar el rendimiento de reproduccion si la constelacion es la adecuada. En el marco de un diseno del sistema se puede aspirar asf a conseguir un modo de funcionamiento ISAR que emplee el movimiento del vehfculo de manera rentable. Sobre esta base, la duracion de una imagen ISAR se puede abreviar claramente en comparacion con el estado de la tecnica, si la trayectoria de un vehfculo a reproducir experimenta, durante su toma, por ejemplo al pasar por una curva, un cambio de direccion constante. Esto es especialmente importante para un radar de vigilancia multifuncional que cumple funciones en otros modos antes y despues de la adquisicion de datos ISAR.
En el marco de la evaluacion de datos ISAR surge el problema de que los conocimientos del movimiento del vehfculo para la generacion de la imagen, necesarios para ello, por regla general no suelen estar disponibles o solo esten disponibles con una precision insuficiente. Ademas de los cambios de distancia entre el sensor y el vehfculo, que se pueden estimar y compensar con facilidad, los gradientes de los angulos de aspecto, en los que el radar ilumina el vehfculo durante la toma en los que se reciben los ecos del vehfculo, juegan un papel decisivo. cuando el angulo de aspecto cambia a una velocidad angular constante, esta determina el escalado de la imagen del vehfculo transversalmente con respecto a la direccion de vision del radar. Una suposicion erronea conduce, en este caso, a una imagen distorsionada. Si ademas la velocidad angular no es constante, se obtiene una imagen borrosa que, por regla general, no se puede utilizar.
La determinacion de los gradientes de los angulos de aspecto antes de la generacion de la imagen, para la que hasta ahora no ha existido ninguna solucion satisfactoria en el estado de la tecnica, constituye por lo tanto una tarea esencial.
Por los conocimientos generales del experto en la materia ya se conoce la forma de transferir la responsabilidad de la determinacion de los gradientes de los angulos de aspecto, en un rada multifuncional, a otros modos de funcionamiento. En el marco del diseno del sistema se exige que, antes de realizar un registro, se detecten los vehfculos en movimiento (MTI) y se sigan sus rastros. A partir del rastro de un vehfculo se puede obtener informacion acerca de los gradientes de los angulos de aspecto durante la toma de la imagen ISAR. Sin
embargo, la separacion temporal de la obtencion de informacion sobre el movimiento del vehfculo y la adquisicion de los ecos de radar ISAR conduce forzosamente a un problema cuando el vehfculo se comporta de manera distinta a la esperada. En este caso, los gradientes de los angulos de aspecto previstos son erroneos y no se pueden utilizar. Es cierto que este problema se podrfa solucionar mediante el uso de MTI, seguimiento del rastro y adquisicion de datos ISAR en multiplex, pero esto plantearfa un reto especial que incluso los sistemas de radar mas exigentes solo pueden cumplir en casos excepcionales.
Segun P. Berens y J.H.G. Ender, “Motion Estimation for ISAR Imaging of Ground Moving Targets”, EUSAR 2006, Dresde, Mayo 2006, se propone que en el marco del tratamiento de los datos ISAR, los ecos se compriman en primer lugar en direccion del alejamiento, con lo que se compensa tambien ele movimiento de traslacion (cambio de la distancia entre el sensor y el vehfculo). A continuacion se divide la duracion total del registro en intervalos breves. De acuerdo con estos intervalos de tiempo los datos se dividen en los asf llamados segmentos acimutales. Acto seguido, los datos de estos segmentos se transforman en direccion acimutal en la gama de frecuencias Doppler de modo que se produzca una serie de segmentos de distancia Doppler. La reflectividad del vehfculo aparece en ellos toscamente enfocada. A traves del desarrollo de la posicion de la distribucion de la reflectividad entre todos los segmentos se pueden determinar despues los gradientes de los angulos de aspecto.
No obstante, el inconveniente radica en que la propia distribucion de la reflectividad en los segmentos de distancia Doppler varfa fuertemente con el angulo de aspecto lo que da lugar a errores en la estimacion de los gradientes de los angulos de aspecto.
Por Shih-Ken et. al.: “Developing a forward collision warning system simulation”. Intelligent Vehocles Symposium 3-5 OKT 2000, LNKD_DOI: 10.ll09/IVS.2000.898366, 3 de octubre de 2000, paginas 338-343, se conoce un sistema de radar similar al de Berens et. al., pero terrestre.
Por la patente alemana DE 10 2006 009 121 A1 se sabe que, en lugar de la determinacion de los gradientes de los angulos de aspecto, se puede realizar una simple estimacion de dos parametros para permitir con ellos la generacion de la imagen. A pesar que la determinacion de los dos parametros de enfocado necesarios se puede llevar a cabo de forma muy sencilla en este procedimiento introducido, lamentablemente no se puede emplear para la determinacion de los gradientes de los angulos de aspecto con una velocidad angular no constante, como la que se suele producir con frecuencia en la realidad.
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La invencion se plantea la tarea de determinar, a partir de datos ISAR adquiridos de un vehfculo que se mueve a lo largo de una carretera y de informacion sobre el trazado de la carreta, los verdaderos gradientes de los angulos de aspecto bajo los que el radar ilumina el vehfculo durante la toma de las imagenes y bajo los que se reflejan los ecos del vehfculo y se reciben los ecos por parte del radar, con un procedimiento en funcion del estado de la tecnica y de uso mas general, para un procesamiento de datos ISAR.
Esta tarea se resuelve por medio de un procedimiento conforme a los pasos de procedimiento de la reivindicacion 1 y de un equipo segun las caracterfsticas de la reivindicacion secundaria 2.
De acuerdo con la solucion segun la invencion, se determinan a partir de los datos ISAR adquiridos los gradientes de los angulos de aspecto, bajo los que el radar ilumina el vehfculo durante la toma y el vehfculo refleja los ecos, que son recibidos despues por el sensor de radar.
Bajo la premisa de que los datos del radar, por sf solos, no son suficientes para una determinacion solida de los gradientes de los angulos de aspecto se aprovecha, presuponiendo que el vehfculo a reproducir circule por una carretera, el trazado de la carretera como dato adicional. Con ayuda de la distancia entre el sensor del radar y el vehfculo asf como de la variacion de la distancia. determinadas ambas a partir de los datos del radar, se determinan, a traves de la combinacion de la informacion disponible sobre la carretera, la posicion y la velocidad del vehfculo en cada momento de la toma. Como posicion del vehfculo se obtiene un lugar de la carretera cuya distancia del sensor coincide con la distancia medida del vehfculo. Sobre la base de esta posicion se determina la velocidad del vehfculo proyectando la velocidad en direccion de vision del radar sobre la direccion de la carretera en la posicion del vehfculo averiguada.
El angulo de aspecto se determina despues a part6ir de la posicion del sensor y del vehfculo asf como de la direccion del movimiento del vehfculo, que corresponde a la direccion del eje longitudinal del vehfculo.
La necesaria informacion sobre la carretera se puede encontrar en mapas digitales o imagenes (por ejemplo imagenes opticas aereas, imagenes SAR).
En comparacion con los principios de solucion conocidos hasta ahora, los gradientes de los angulos de aspecto se determinan ventajosamente a partir de los datos ISAR adquiridos. De este modo se suprimen la separacion temporal que suele ser inevitable y la adquisicion de datos ISAR, y los gradientes de los angulos de aspecto determinados reflejan la situacion geometrica real durante la toma. Como ventaja, la determinacion del angulo de aspecto ya no se basa en la posicion de la distribucion de la reflectividad en los segmentos Range-Doppler sino que, en el marco de la compensacion del movimiento que se produce antes de la propia estimacion del angulo de aspecto, ya solo evalua la posicion del centro de gravedad radiolmetrico en distancia y Doppler.
La aplicabilidad de la solucion segun la invencion no se limita a vehfculos que circulan a una velocidad constante.
Para los vehfculos que circulan por carreteras y caminos conocidos, se pueden determinar asf los gradientes de los angulos de aspecto bajo los que el radar ilumina el vehfculo. Su consideracion conduce, en el marco de la generacion de imagenes ISAR, a una reproduccion nftida y no distorsionada del vehfculo. Por otra parte tambien se 'puede aprovechar la informacion sobre la carretera para captar con acierto imagenes ISAR en zonas en los que se esperan vehfculos con movimientos apropiados para ISAR.
La invencion se explica a continuacion en detalle con referencia a los dibujos.
Se ve en la:
Figura 1: El diagrama de operaciones del procedimiento segun la invencion.
Figura 2: El esquema modular de transmision de senales de un sistema ISAR con un equipo para la determinacion de los gradientes de los angulos de aspecto.
Con referencia a las figuras 1 y 2.
El nuevo procedimiento, representado en la figura 1, determina los gradientes de los angulos de aspecto bajo los que el radar ilumina el vehfculo durante la toma y bajo los que los ecos del vehfculo vuelven al radar.
Para ello, el desarrollo de la distancia entre el sensor del radar y el vehfculo, determinado a partir de los propios datos ISAR registrados, se combina con el trazado de la carretera.
En un primer paso del procedimiento se obtiene la informacion sobre la carretera para una zona de intervencion prevista del ISAR a emplear a partir de conjuntos de datos verificados, mapas digitales y/o imagenes aereas. Dado que el equipo necesario para la realizacion del procedimiento se controla preferiblemente por medio de un programa, se transforman estos datos geodesicos en un formato apto para el procedimiento. Con esta finalidad, los puntos del trazado de la carretera se averiguan en un sistema de coordenadas cartesianas tridimensional local y se registran en una memoria de datos para que esten disponibles para los siguientes pasos del procedimiento. Si la densidad de los datos geodesicos es la suficiente, es posible determinar los puntos intermedios que faltan por medio de interpolacion.
Un ISAR ilumina un trazado de carretera; los datos ISAR sin procesar se calibran directamente y se comprimen en direccion de la distancia. A continuacion se compensa en los ecos comprimidos, en el marco de la compensacion del
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movimiento, la curva de la distancia entre el sensor y el centro de la escena causada por el movimiento del sensor. Si existe adicionalmente informacion previa sobre el movimiento del vehfculo, por ejemplo de una deteccion del objetivo en movimiento y de un seguimiento del rastro realizados con anterioridad, conviene tenerlos tambien en cuenta en el marco de la compensacion del movimiento. Las distancias compensadas se archivan para su utilizacion posterior. En el marco del Range-Doppler-Tracking se procede, en primer lugar, a la transformacion de segmentos de datos acimutales cortos en la gama de frecuencias Doppler, con lo que se crea una secuencia de imagenes Doppler de distancia restante. En las imagenes Doppler de la distancia restante se puede localizar el vehfculo en movimiento, lo que se consigue especialmente bien cuando su velocidad es de tal manera que aparezca en un area de Doppler no ocupada por los ecos de la escena (clutter). Este caso corresponded a un objetivo exo-clutter. Sin embargo, si el vehfculo se encuentra durante este paso del procedimiento en el clutter (objetivo endo-clutter), es preciso suprimir el clutter. El vehfculo se persigue despues en la secuencia Doppler de la distancia restante. Con ayuda del centro de gravedad radiometrico se determina entonces, para cada uno de los segmentos Doppler de la distancia restante, un valor de distancia restante y un valor Doppler. A partir de la evolucion de la posicion del vehfculo en el Doppler, se determina a continuacion el desarrollo de la velocidad restante que constituye despues la base para la resolucion de ambiguedades de los valores Doppler. Posteriormente se determina tambien un desarrollo de la velocidad restante a partir de la evolucion de los valores Doppler inequfvocos. Este desarrollo de la velocidad restante y la distancia restante en direccion visual se mantienen disponibles para los siguientes pasos del procedimiento.
El desarrollo de la distancia restante y de la velocidad restante representan valores conformes al paso anterior del procedimiento consistente en la compensacion del movimiento del sensor. En el marco de la reposicion y de la determinacion de la velocidad se determinan, en primer lugar, los desarrollos originales de la distancia y de la velocidad entre el sensor y el vehfculo en direccion visual mediante la correccion de los desarrollos restantes de acuerdo con las distancias compensadas. A continuacion se averiguan, a partir del desarrollo de la posicion de la aeronave, del desarrollo de la distancia determinado asf como de la informacion sobre la carretera, las posiciones en la carretera en las que el vehfculo se encontraba en los momentos correspondientes. Finalmente se proyecta en las posiciones resultantes del vehfculo el desarrollo de la velocidad determinado en direccion visual en direccion a la carretera con lo que se obtienen los correspondientes vectores de velocidad para el vehfculo. La direccion visual se determina a partir de la posicion de la plataforma y de la posicion del vehfculo especificada. De acuerdo con este procedimiento se obtienen las curvas de la posicion del vehfculo y la velocidad vectorial del mismo.
Las posiciones y velocidades asf obtenidas se fusionan por medio de un algoritmo adecuado (por ejemplo un filtro Kalman) con el modelo de movimiento para el vehfculo. En este caso, las posiciones y velocidades sirven de valores de medicion para la correccion de los valores propagados con ayuda del modelo de movimiento. Las contribuciones de modelo y valores de medicion se incluyen en el resultado en funcion de su importancia. De esta manera, la posicion, la velocidad y la aceleracion del vehfculo se pueden determinar, en definitiva, en los momentos deseados, con una precision inalcanzable de otro modo.
El calculo del angulo de aspecto se realiza ahora a partir del recorrido en direccion de marcha (direccion del vector de velocidad) asf como de las posiciones del sensor del radar y del vehfculo. Los gradientes de los angulos de aspecto resultantes queda despues disponible para un procesamiento ISAR.
Utilizando el procedimiento inventado se puede crear, segun la figura 2, un sistema ISAR aereo o de satelite con el que se pueden reproducir, con alta resolucion, vehfculos que circulan por vfas de comunicacion conocidas.
Un sistema de este tipo requiere un Radar-Frontend 1, una unidad para el registro del movimiento del sensor (INS/DGPS) 7, una base de datos de vfas de comunicacion que facilita informacion sobre carreteras 8, asf como un procesador ISAR 9.
En el Radar-Frontend 1 se generan, en una unidad de generacion de impulsos 2, impulsos de emision de alta frecuencia de gran ancho de banda que se transmiten, a traves de un circulador 3, a una antena orientada 4. La antena 4 ilumina con los impulsos generados una escena en el suelo por la que circula un vehfculo a lo largo de una carretera y recibe los ecos reflejados 5 de la escena. El circulador 3 transmite las senales recibidas a una unidad de adquisicion de datos 6 que, ademas de la amplificacion de las senales y del desplazamiento de la frecuencia, se encarga especialmente de la digitalizacion y del archivo de los datos.
El procesador ISAR 9 procesa los ecos registrados de manera que, en primer lugar, una unidad de tratamiento previo 10 realice los pasos basicos. Aquf los datos se calibran y se someten a una compresion en direccion de la distancia. Despues se procede a una compensacion del movimiento respecto al centro de la escena, teniendo en cuenta el rastro de los sensores medido con la unidad INS/DGPS 7. Si se conoce la informacion previa sobre el movimiento del vehfculo, esta se tiene en cuenta en el marco de la compensacion del movimiento. Para determinar las distancias y velocidades restantes, se realiza ademas un seguimiento del vehfculo en el area de distancia Doppler. La unidad para la determinacion del angulo de aspecto 11 unifica los desarrollos anteriormente determinados de la distancia restante y de la velocidad restante del tratamiento previo 10 con las posiciones de la plataforma medidas por la unidad INS/DGPS 7 asf como la informacion sobre la carretera de la base de datos de vfas de comunicacion 8. La determinacion del angulo de aspecto se produce aquf de acuerdo con el procedimiento antes descrito. Los ecos comprimidos y compensados en cuanto al movimiento del tratamiento previo 10 se convierten despues en la unidad de generacion de imagenes 12, teniendo en cuenta los gradientes de los angulos de aspecto, en una imagen ISAR 13.
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Frontend del sistema ISAR
Unidad para la generacion de impulsos de emision de alta frecuencia Circulador
Antena para la emision y recepcion
Senales de emision y recepcion
Unidad para el registro de las senales recibidas
Unidad para la determinacion de la posicion y situacion de la plataforma a base de INS y DGPS
Base de datos con informacion sobre los trazados de las carreteras
Procesador ISAR para el calculo de imagenes de radar de vehfculos en movimiento
Unidad para el tratamiento previo
Unidad para la determinacion del angulo de aspecto
Unidad para el calculo de la imagen ISAR
Imagen ISAR resultante del vehfculo

Claims (3)

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    REIVINDICACIONES
    1. Procedimiento para la determinacion de los gradientes de los angulos de aspecto bajo los que un RADAR
    ISAR de apertura sintetica inversa montado en aeronaves o satelites ilumina un vehfculo que circula por la carretera, y bajo los que se reflejan los ecos del vehfculo al radar, utilizandose las propias senales del radar para la determinacion del angulo de aspecto, caracterizado por que
    a) a partir de las distancias y variaciones de la distancia averiguadas entre el sensor del radar y el vehfculo, por una parte, y del trazado de la carretera, por otra parte, se determinan para cada momento de la toma, mediante la determinacion de los puntos de interseccion, las posiciones del vehfculo y, con ayuda de conversiones geometricas, los vectores de velocidad del vehfculo en estas posiciones;
    b) se fusionan las posiciones y los vectores de velocidad asf obtenidos asf como un modelo de movimiento para el vehfculo con un procedimiento matematico. incluyendose las contribuciones del modelo y de los valores de medicion en el resultado en funcion de su importancia, con lo que se determinan la posicion, la velocidad y la aceleracion del vehfculo con mayor precision;
    c) el angulo de aspecto de la iluminacion del vehfculo se determina para cada momento de la toma por medio de un calculo geometrico a partir de la direccion visual entre el sensor del radar y el vehfculo, es decir, la direccion de la lfnea de union entre el sensor del radar y el vehfculo resultante de las posiciones del sensor y del vehfculo, y la direccion del vector de velocidad del vehfculo cuya direccion coincide con el eje longitudinal del vehfculo.
  2. 2. Equipo para la determinacion de los gradientes de los angulos de aspecto bajo los que un RADAR ISAR de apertura sintetica inversa montado en aeronaves o satelites ilumina un vehfculo que circula a lo largo de una carretera y recibe los ecos reflejados, formado al menos por los componentes de un sistema ISAR convencional, caracterizado por
    a) un sistema de radar que recibe los ecos de los impulsos de radar reflejados y que, utilizando informacion sobre el movimiento del portador de un sistema INS/DGPS (7) e informacion sobre la carretera de una base de datos de vfas de comunicacion (8), calcula la imagen ISAR (13) de un vehfculo en movimiento;
    b) las funciones parciales de generacion de impulsos (2), emision de impulsos y recepcion de ecos (5) con una antena (4) y un sistema de adquisicion de datos (6) en el Radar-Frontend (1);
    c) un sistema (7) para el registro de informacion sobre el rastro del portador aereo o espacial sobre la base de sensores de medicion inerciales y de un receptor DGPS;
    d) una base de datos (8) que proporciona informacion sobre las vfas de comunicacion en la zona de suelo iluminada por el radar;
    e) las tres funciones parciales de tratamiento previo (10) para el calibrado, compresion y compensacion del movimiento de los ecos del radar, determinacion del angulo de aspecto (11) conforme al procedimiento segun la reivindicacion 1 y generacion de imagenes (12) para el calculo de la imagen ISAR (13) en el procesador ISAR (9).
  3. 3. Medio de archivo para datos de programas informaticos con datos del programa archivados en el mismo, ordenando los datos del programa al equipo, si controlan un equipo segun la reivindicacion 2, la realizacion del procedimiento segun la reivindicacion 1
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