Y DIRECCIÓN DE OBJETOS

D E S C R I P C I O N

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.

i 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 detección que emplee una señal, electromagnética o mecánica, transmitida a un medio con el objeto de analizar la naturaleza de los pulsos recibidos y obtener información de los mismos.

No se conoce la existencia de antecedentes, patentes o modelos de utilidad, cuyas características sean iguales o similares a las preconizadas en la presente invención. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención a la que se refiere esta descripción consiste, por una parte, en un método de compresión o codificación de pulsos, su modulación y demodulación, y la decodificación de dichos pulsos para obtener la información de distancia, velocidad y dirección de los pulsos recibidos.

Por otra parte, consiste en el aparato o aparatos que utilizan el método para obtener la distancia, velocidad y dirección de los pulsos recibidos.

La base fundamental del método de detección de distancia, velocidad y dirección está basado en las dos propiedades principales de los conjuntos N elementos ortogonales de N secuencias complementarias de longitud L. a) La suma de las autocorrelaciones de las N secuencias que forman parte de un elemento p del conjunto, es una delta de Krónecker.

1 ^w

—∑Φ(ρ _ι (η), ρ _ι (η)) = δ(η) (i )

/VL ₍₌₁ b) La suma de las correlaciones cruzadas de las N secuencias de un elemento p del conjunto por las N secuencias de otro elemento ortogonal q del conjunto de elementos ortogonales, es cero para cualquier desplazamiento de tiempo.

w

∑B(0(A7), q(A7)) = O (2) i=l

Siendo <t>(p,q) la función matemática correlación de los L valores que componen la secuencia p con los L valores de la secuencia q. Las secuencias p y q son ortogonales, por el hecho de cumplir la propiedad anterior, y están compuestas por L valores numéricos cada una y pueden tomar cualquier valor real o complejo. Para la correcta implementación del resultado, el aparato consta de diversos elementos:

Medios para seleccionar al menos un elemento a, compuesto por N secuencias complementarias de longitud L, de entre los N elementos de un conjunto de N secuencias complementarias.

Medios para codificar los pulsos a transmitir utilizando las N secuencias complementarias que componen el elemento a seleccionado.

Medios para modular los N pulsos correspondientes al elemento a y transmitirlos, en un orden definido sucesivamente uno detrás de otro y separados por un tiempo T, a un medio mediante ondas electromagnéticas o mecánicas gracias a un transductor adaptado al medio y a la frecuencia de interés.

Medios para recibir las señales tras su propagación por el medio mediante un transductor adaptado al medio y demodular dichas señales o ecos para extraer sus componentes en fase y cuadratura.

Medios para procesar las componentes en fase y cuadratura y decodificarlas mediante las N secuencias correspondientes al elemento a utilizado en transmisión en el orden establecido en transmisión sucesivamente uno detrás del otro y separados en un tiempo T.

Medios para almacenar los resultados de las sucesivas N decodificaciones de las componentes en fase y cuadratura

Medios de proceso electrónico para realizar la operación del cálculo del módulo y la fase de los ecos decodificados.

Medios de proceso electrónico para la utilización de los valores obtenidos de módulo y fase para el cálculo de la distancia, velocidad y dirección de los distintos ecos recibidos. Y el método es el siguiente:

Los medios para seleccionar códigos, que seleccionan de una memoria o calculan un número p de elementos del conjunto de N elementos ortogonales donde p corresponde al número de transmisores simultáneos empleados en el aparato.

Los medios de codificación de pulsos, que codifican cada pulso correspondiente a cada transmisor por un elemento compuesto por N secuencias complementarias del conjunto. Es decir, el transmisor 7 con las N secuencias del elemento a, el transmisor 2 con las N secuencias del elemento b, y así sucesivamente.

Los medios de modulación y transmisión, que definen el orden de las secuencias que componen cada elemento (a, b, c, etc.) cuyas N secuencias son separadas un tiempo seleccionado T entre ellas y transmitidas moduladas digitalmente al medio a la frecuencia de interés.

Los medios de recepción y demodulación, que reciben las señales o ecos mediante k simultáneos transductores receptores adaptados al medio y extraen sus componentes en fase y cuadratura.

Los medios para procesar las componentes en fase y cuadratura, que correlan cada señal recibida de cada transductor receptor, por las N secuencias de cada uno de los p elementos almacenados en memoria en el orden en que se enviaron y de manera cíclica y en los intervalos de tiempo correspondientes.

Los medios para el almacenamiento, que almacenan los 2xNxpxk anteriores resultados decodificados correspondiente a los Nxp resultados de procesar las componentes en fase y cuadratura de los P receptores empleados.

Los medios de proceso electrónico que calculan para cada elemento receptor k la suma de los N resultados almacenados en memoria por cada p elemento transmitido tanto en la componente de fase como en la de cuadratura y calculan su módulo y fase Θ como:

Siendo l _kTl y Q _k r, las componentes en fase y cuadratura respectivamente del receptor k en el instante T¡ y p¡ corresponde a la secuencia complementaria de longitud L del elemento p,transmitida en el orden / ^" .

Los medios de proceso electrónico, que utilizan los resultados de, al menos, 2 transmisiones consecutivas anteriores para calcular la posición, velocidad y dirección de un número m de objetivos detectados.

Las distancias R(i) de los m ecos se calculan, como en cualquier radar pulsado, midiendo los tiempo de vuelo de los pulsos detectados correspondientes a los máximos locales de , que denominaremos T _mx (i), como:

F i) = ^{C' T} ™(° (4)

Donde c es la velocidad de propagación de la onda en el medio donde se transmite.

Las velocidades V(i) de los m ecos se pueden calculan, como en cualquier radar pulsado, como: c- (&(n) - &(n- T))

V(i) (5)

4π - Τ- t

Siento f ₀ la frecuencia central en la que se transmite la señal. Evidentemente, aunque de manera menos precisa, también se pueden calcular utilizando las diferencias entre las posiciones de los ecos recibidos en dos capturas consecutivas dividido por el tiempo entre medidas T. Y las direcciones D(i) de los m ecos se calculan, como el signo de la velocidad, si es positivo, el objetivo se acerca al transductor y si es negativo el objetivo se aleja del transductor. D(i) = 3gn[V(i)] (6)

Es evidente para cualquier conocedor de las técnicas radar, y similares, que el empleo de esta técnica con varios receptores y transmisores simultáneos, o el empleo de técnicas SAR (Small Aperture Radar), puede permitir conocer exactamente los datos de cada objetivo en dos o en tres dimensiones (2D/3D) y reconstruir una imagen de los ecos y su desplazamiento respecto al receptor con el empleo de un sistema de visualización específico.

Por parte del inventor no se conoce ninguna anterioridad que incorpore las disposiciones que presenta la actual invención, ni las ventajas que conlleva dicha disposición.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS En primer lugar relacionamos los elementos que componen los dibujos teniendo en cuenta que idénticas referencias se refieren a idénticos elementos

FIGURA 1.

Muestra el diagrama esquematizado de un sistema actual de detección de distancia, velocidad y dirección basado en RADAR Doppler pulsado.

FIGURA 2.

Muestra un diagrama esquematizado de un ejemplo de ocultación del eco débil de un avión (B) situado en una posición cercana al eco de alta reflectividad (A) correspondiente a una montaña empleando procedimientos actuales de procesado chirp, donde se observa en la gráfica que sólo el eco A es detectado.

FIGURA 3.

Presenta una comparativa entre el resultado de la detección de un eco de alta reflectividad junto a otro de muy baja reflectividad. La primera basada en chirp enventanado (izquierda), imposible de ser discriminados, y la codificación propuesta en esta invención (derecha), donde se detecta perfectamente el eco atenuado 90dB respecto al principal. FIGURA 4.

Muestra el diagrama esquematizado del aparato transmisor de un RADAR Doppler pulsado basado en la patente descrita, donde se refleja la transmisión de las secuencias cíclicamente, de forma continua y a intervalos de tiempo T.

FIGURA 5.

Muestra el diagrama esquematizado del aparato receptor de un RADAR Doppler pulsado basado en la patente descrita, donde se muestra esquemáticamente que en cada intervalo T de transmisión el método detecta información de distancia, velocidad y dirección de los ecos recibidos empleando la información de las correlaciones previas.

FIGURA 6.

Muestra el diagrama esquematizado de una posible implementación de un sistema de imágenes médicas por ultrasonidos o láser de infrarrojo cercano basado en la patente descrita, donde se observa una posible disposición de los transductores y su ubicación en el miembro, en este caso se trata de una imagen transcraneal. FIGURA 7.

Muestra el diagrama esquematizado de una posible implementación de un sistema de imágenes tras muro basado en la patente descrita, donde se observa una posible ubicación de los transductores detrás del equipo para obtener imágenes 2D/3D en su display frontal.

Y en todas ellas con la misma numeración se definen iguales elementos entre los que se distinguen

- (1 ) Medios de selección de elementos o códigos

- (2) Medios de codificación de pulsos, 3) Medios de modulación y transmisión,

4) Medios de recepción y demodulación,

5) Medios para procesar las componentes en fase y cuadratura,

6) Medios para el almacenamiento de resultados,

7) Medios de proceso electrónico para el cálculo del módulo y fase,

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

9) Aparato transmisor,

10 Aparato receptor,

1 1 Pulsos codificados ordenados y transmitidos cíclicamente,

12 Codificador convencional C irp

13 Pulsos a transmitir en frecuencia intermedia,

14 Conversor superior a frecuencia de interés,

15 Amplificador de señal de transmisión,

16 Transductor de transmisión,

20 Decodificador convencional Chirp,

21 Transductor de recepción,

22 Señal recibida,

23 Conversor inferior a frecuencia intermedia,

24 Señal recibida en frecuencia intermedia,

25 Componente en fase de la señal demodulada en banda base,

26 Componente en cuadratura de la señal demodulada en banda base, 27 Visualización de información

REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION

La invención a la que se refiere la presente memoria trata de un aparato para detección de la distancia, velocidad y dirección de objetos mediante pulsos recibidos que emplea señales electromagnéticas o mecánicas codificadas mediante el método descrito para mejorar la sensibilidad, resolución y robustez de los sistemas de detección actuales.

Para describir la invención de una manera más simple se va a explicar su aplicación para la implementación en un aparato de RADAR que transmite con 1 antena y recibe con 1 antena y donde el número de secuencias que forman parte de un elemento del conjunto de secuencias complementarias ortogonales es N.

En este caso el aparato consta de ocho bloques principales:

Medios de selección de elementos o códigos(1 )

Medios de codificación de pulsos (2)

Medios de modulación y transmisión (3),

Medios de recepción y demodulación (4),

Medios para procesar las componentes en fase y cuadratura (5), Medios para el almacenamiento (6)

Medios de proceso electrónico para el cálculo del módulo y fase

(7)

Medios de proceso electrónico para el cálculo de distancia, velocidad y dirección (8) Medios de selección de elementos (1), que pueden estar basados, por ejemplo, en una memoria donde se encuentran almacenados las secuencias a utilizar. Realiza la selección de un elemento del conjunto formado por N secuencias de L valores numéricos cada una.

Medios de codificación de pulsos (2), que utilizan los valores almacenados, que pueden estar 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 (1 1 ) con los valores de las secuencias almacenada. 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 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) 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 en los intervalos de tiempo correspondientes síncronamente.

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 como la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de las sumas de las últimas N correlaciones almacenadas en memoria, y calcula la fase como el arcotangente del cociente entre la suma de las N últimas correlaciones de las componente en cuadratura y la suma de las N últimas correlaciones de la componente en fase.

Medios de proceso electrónico para el cálculo de distancia, velocidad y dirección (8), que calculan la distancia, velocidad y dirección empleando los datos de las capturas previas.

La generalización para p transmisores, k receptores y N elementos del conjunto es evidente para un experto en la materia. Por tanto, la invención que se describe constituye un potente sistema de detección que mejora, no sólo la resolución axial y la sensibilidad, sino también su robustez frente al ruido y el jamming y reduce los lóbulos laterales y el clutter.

Descrita suficientemente la naturaleza de la invención, así como la manera de llevarse a la práctica, debe hacerse constar que las disposiciones anteriormente indicadas y representadas en los dibujos adjuntos son susceptibles de modificaciones de detalle en cuanto no alteren sus principios fundamentales, establecidos en los párrafos anteriores y resumidos en las siguientes reivindicaciones