SE503650C2 - Sätt att vid en radar förbättra radardata - Google Patents

Description

sus eso 2 10 15 20 25 30 35 Oavsett om man vid sändning av radarsignaler uteslutit vissa frekvenser eller ej kommer mottagna radardata vara uppdelade i ett antal av varandra oberoende band, mellan vilka stömingar från radiosändning m.m. gett upphov till intervall där relevanta radardata saknas. l detta sammanhang är det ingen principiell skillnad mellan bildspektrum vid en SAR-radar och allmänna radarrådata, utan här menas med ett sådant bildspektrum radardata, ur vilka den faktiska bilden erhålls med en invers tvàdimensionell Fouriertransforrn. l själva verket erhålls SAR-bilden ur radarrådata genom en process, _som förknippar utsänd frekvens och Doppler- frekvens för dessa data med azimut- resp. radialfrekvens för bildspektrumet. Radio- sändningar m.m. uppträder som kohcentriska ringar av förstörda data i detta två- i dlmensionella spektrum. Radialfrekvensen för ringama kommer att motsvara de ut- sända frekvenser, vid vilka stömingen sker.

För att bedöma hur stor försämring som uppståri radarbilden till följd av försäm- ringen i radardata måste antaganden göras om de statistiska egenskapema i radar- data och radarbilden. När det gäller radardata är de statistiska egenskapema mycket konstanta och dessa kan betraktas som ett spektrum av godtycklig fas, men där sannolikheten för stora amplitudvariationer är liten (efterjustenng för känslig- hetsfluktuationeri radarsystemet). ., . ...nws-fi-...fi-...f-.l- ., ..-_- Bilden karakteriseras å andra sidan av en mycket olikfomiig amplitudfördelning, som idealt består av diskreta, starkare reflektorer mot en bakgrund av jämnstarka svaga reflektorer. De starka reflektorema utgör de mål man önskar detektera med radam.

Eftersom det helt saknas förhandskunskap beträffande fasvärdena för spektrumet i de utstörda punktema, är alla gissningar lika sannolika. Vid uppfinningen ansätts därför amplitudvärdet noll i dessa punkter.

Man kan då betrakta radardata som det samlade resultatet av två processer, näm- ligen en som motsvarar ideala radardata och en som är en felprocess som precis upphäver dessa i de störda områdena. Båda dessa processer har slumpmässig fas.

På grund av den godtyckliga fasen är energifördelningen mellan felprocessen och den ideala processen lika med förhållandet mellan de saknade punktema och alla punkter. Om hälften av punktema saknas är således det relativa felet- 3 dB. Detta förhållande kallas här relative emor power som här förkortas REP. 10 15 20 25 30 35 l det följande antas att mottagna radardata vid frekvenser som störs av radiosänd- ningar har satts till noll. Då kommer den kombinerade närvaron av radarreturer från de starkare reflektorerna och radiostömingar att resultera i att sidolober från dessa reflektorer kommer att spridas över hela bilden och feltolkas som svaga reflektorer.

För de starkare reflektorema själva är det emellertid osannolikt att sidolober skulle kunna sättas samman till att skapa jämförelsevis lika starka reflektorer. l en första uppskattning av data i de utstörda spektralintervallen, kan situationen därför förbättras, genom att man antar, att de starkaste reflektorema är de enda reflektorerna. Genom att interpolera data i de utstörda intervallen utgående från denna ansats, minskar sidolobema från de starkaste reflektorema, så att tröskel- värdet för att eliminera falska värden kan sänkas. Därefter kan man göra en andra iteration där en vidare krets av starka reflektorer tas med för att bestämma en bättre ”skattning av spektrumet vid de saknade frekvensema. Detta medför att sidolobs- nivåema minskar ytterligare o.s.v.

När man går vidare till svagare och svagare reflektiviteter, blir antalet medtagna reflektorer allt större. Sannolikheten att ett falskt mål blir starkare än ett riktigt mål ökar därför snabbt. Om antalet falska mål överstiger antalet riktiga mål i ett itera- tionssteg, försämrar detta steg beräkningen. En lösning på detta är att genomföra interpolationen genom att på ett givet sätt ta med allt fler mål, snarare än att i givna steg sänka tröskelvärdet. l försök har en potensserie av andra graden använts, där som grund för iterationen, i första steget, endast den starkaste reflektom medtagits, i nästa steg de två starkaste, dämäst de fyra starkaste o.s.v. lterationen slutar när hälften av pixlama är medtagna i interpolationen. Denna process har fördelen av en exponentiell tillväxt, vilket gör den lämplig att hantera mycket stora pixelmängder. Samtidigt klarar den väl att en SAR-bild kan innehålla ett mindre antal mycket starka spridare, under det att det stora flertalet mål uppvisar en relativt liten kontrast mot brusgolvet.

Metoden har visat sig fungera väl på simulerade data.

Uppfinningen avser således ett sätt att vid en radar förbättra radardata genom att interpolera över frekvensband störda av smalbandiga stömingar, dvs. stömingar med mindre bandbredd än bandbredden hos den mottagna radarreflexen och kan koncentrerat beskrivas enligt följande. 503 650- sos 650 4 10 15 20 25 30 35 På känt sätt alstras c» -. radarsignal i en radarsändare och sänds iväg via ett antenn- system. Radarreturen mottas via ett antennsystem i en radannottagare och bearbe- tas i en signalbehandlingsutrustning. Därpå utförs följande steg (A) - (J).

(A) Det fastslås, genom avlyssning eller på annat sätt, vilka frekvensvärden som berörs av smalbandig stöming, (B) Varje i tiden kontinuerligt sammanhängande radarretur, representerad av en tidsdiskret reell »eller komplex signal f(ti), innehållande N sampel, Fouríertransfor- meras till en frekvensdiskret funktion F(wi), given av N sampel. I båda fallen löper index i från 1 till N, i = 1,2,...,N.

(C) En serie av heltal N1, Ng. NM fixeras, så att 1sN1 (D) F(mi) modifieras till en funktion Fk(mi) genom att signalbehandlingsutrustningen sätter Fk(m;) = F(wi) utanför smalbandiga stömingar och Fk(coi) = Hk(m;) inom områ- den med smalbandiga stömingar.

(E) H1(wj) sätts lika med 0 och Hk( (H)- (F) Fk_1(m;) invers-Fouriertransformeras till en tidsdiskret funktion fk_1(ti).

(G) fk_1(t;) modifieras till en funktion hk(ti) genom att signalbehandlingsutrustningen sätter hk(t;) = fk_1(t;) för i=1,2,...,Nk_1 där |fk_1(ti) I utgör de Nk_1 största värdena av lfk_1(ti)| och nkui) = o för övriga N - NM funkuonsväraen.

(H) hk(t;) Fouriertransformeras till en frekvensdiskret funktion Hkkoi).

(I) Stegen (D) - (H) upprepas M gånger, varvid 1 s k s M.

(J) F NM(mi) invers-Fouriertransforrneras för att ge den slutligen filtrerade radarreturen fNM(t;).

För en SAR-radar gäller att motsvarande kan utföras i två dimensioner. I detta fall uppträder de smalbandiga stömingama som störda områden i Fouriertransformen av SAR-bilden. De störda områdena har karaktären av koncentriska ringar i de tvådimensionella spektrumet, dvs. de uppträder som störda områden inom intervall Q s (fwf + p 1.2 s Q', där värdeparen 9,0' representerar varje enskilt störband.

Stegen (A) - (J) får följande innehåll.

(A) Det fastslås, genom avlyssning eller på annat sätt, vilka frekvensvärden som berörs av smalbandig störning, 10 15 20 25 30 35 S03 650 (B) Bilden beskrivs genom en tidsdiskret reell eller komplex signal f(xi,yj), innehål- lande NxN sampel, vilken Fouriertransformeras till en frekvensdiskret funktion F(m;,pJ-), given av NxN sampel. I båda fallen löperindex i, j från 1 till N, i= 1,2,...,N, j = 1,2,...,N. (c) En serie av naiiai M1, M2, NM fixeras, sa aii1sN1 (D) F(o>;,pj) modifieras till en funktion Fkkojpj) genom att signalbehandlingsutrust- ningen sätter Fkknbiij) = F(m;,pi) utanför smalbandiga stömingar och Fkkohiij) = = Hk(oai,pj) inom områden med smalbandiga stömingar.

(E) H1( (F) - (H)- (F) Fk_1(mi,iij) invers-Fouriertransformeras till en tidsdiskret funktion fk_1(xi,yj).

(G) fk_1(xi,yj) modifieras till en funktion hk(xi,yj) genom att signalbehandlingsutrust- ningen sätter hk(xi,yj) = fk_1(xi,yj) för i=1,2,...,Nk_1 där |fk_1(xi,yj) l utgör de Nk_1 största värdena av |fk_1(xi,yj)| och hk(xi,yj) = 0 för övriga N - Nk_1 funktionsvärden.

(H) hk(xi,yj) Fouriertransformeras till en frekvensdiskret funktion Hk(mi,pj).

(I) Stegen (D) - (H) upprepas M gånger, varvid 1 s k s M.

(J) FNM(m;,pj) invers-Fouriertransformeras för att ge den slutligen filtrerade radarbilden fNM(xi,yJ-). l utföringsformer enligt något av de ovannämnda sätten är det lämpligt att välja talan N1, M2, NM i siag (s) aniigi Nk = 2K-1, där k är haiiai 1 s k 5 M.

Vidare är de i det endimensionella fallet lämpligt att välja talet M som det närmaste heltalet till *logíâí-J- 1, dvs. så att NM e: N12. Motsvarande gälleri det tvådimen- sionella fallet om N byts mot NxN. l SAR-fallet ovan har bilden antagits vara kvadratisk, NxN, vilket ligger nära till hands att tänka sig. Det är emellertid naturligtvis tänkbart atti stället använda sig av en rektangulär bild, N'xN". Man kan se en rektangulär bild som den intressanta delen av en större kvadratisk bild. I den rektangulära bilden ligger de utstörda ring- ama som cirkelsegment i bilden. Omvänt kan man alltid gå från en rektangulär bild till en kvadratisk genom att bädda in den rektangulära bilden i en kvadratisk bild och därvid fylla ut resten av den kvadratiska bilden med nollor i signalhänseende.

Uppfinningen har implementerats med hjälp av det grafiska skalet LabView 2 från National Instruments till programspråket C och kommer att beskrivas genom symbo- ler skapade med hjälp av detta program. Namnen på de olika i programmet ingåen- soz 650 6 10 15 20 25 30 35 de delprogrammen har inspirerats av en ytlig analogi med Darvvinistlsk utveckling.

Något reellt samband finns naturligtvis inte.

Det grundläggande delprogrammet kallas i denna anda "djungelns lag" och visas i grafisk form i fig. 1. Programmet är uppbyggt av rutiner som antingen bibehåller de olika värdena i en reell bipolär vektor eller sätter dem till noll. Det som avgör om ett element i vektom skall behållas eller ej är om värdet överstiger ett tröskelvärde eller inte. vektom sorteras efter ökande styrka och omkastas till att vara sorterad i rangord- ning. Ett förutbestämt ordningstal anger tröskelvärdet över vilket datavärden lämnas oförändrade. Om man således antar att det inte finns två vektorvärden som är lika överensstämmer antalet värden som inte är noll med ordningstalet för tröskelvärdet.

Nästa nivå är programmet "mutation", som fyller i data vid saknade frekvenser och visas i figur 2. lngångsvärdet är den komplexa vektom av frekvensberoende data, tröskelvärdets ordningstal och vektom av saknade frekvenser. Från datavektom er- hålls en bildvektor som realdelen efter en invers FFT (Fast Fourier Transforrn). l "Djungelns lag" får verka på denna för att endast de starkaste värdena i bildvektom skall förbli icke-noll. Efter inmatning av nollor i imaginärdelen erhålls frekvensdata i genom en framåtriktad FFT. Värden plockas från denna vektor och får ersätta de f värden som finns i de vektorpositioner som listats som punkter som saknar frekvensdata. Positionema erhålls ur programmet "soptunna", se nedan.

Programmet som minskar tröskelvärdets ordningstal i iterationen kallas "geometrisk maskin" och visas i figur 3. Programmets ingångsvärde är åter den komplexa vek- tom av frekvensdata. Den enda uppgiften från dessa data som används är vektoms längd. Tröskelvärdets ordningstal erhålls ur ett skiftregister, som ursprungligen sätts till ett. När programmet aktiveras ersätter det värdet i skiftregistret med detta värde multiplicerat med två så länge som detta värde är mindre än halva vektorlängden.

Alla värden som förekommeri skiftregistret samlas till en utvektor som represente- rar följden av tröskelvärdenas ordningstal.

Det sista steget är huvudprogrammet "Darvvinistisk re|axation" som visas i figur 4.

Det utnyttjar förutom programmen "mutation" och “geometrisk maskin" också pro- grammen "soptunna" och "inversion". Dessa äri den nu aktuella formen lätta att beskriva. 10 15 20 25 30 503 650 "Soptunna" äri det aktuella fallet ett delprogram som undersöker, vid vilka vektor- positioner den frekvensberoende datavektom är noll och sänder tillbaka dem som en vektor. "lnversion" innehåller endast en endimensionell FFT och plockar ut real- delen av FFT, vilken den efter lämpligt parameterval anpassar för grafisk presenta- tion.

"Danivinistisk relaxation" startar ett skiftregister med hjälp av den inkommande vektom av frekvensdata. Det läser sedan med hjälp av programmet "geometrisk maskin" av värdena i vektom över tröskelvärdenas ordningstal för att genom programmet "mutation" förbättra datavektom i skiftregistret och ersätta den gamla datavektom med den förbättrade. Detta fortgår för alla elementen i vektorn över tröskelvärdenas ordningstal. Till slut matas "-1" som sådant ordningstal, vilket framtvingar endast en ytterligare iteration av skiftregistret, så att slutresultatet matas till programmet "inversion".

För riktiga SAR-data är det på olika sätt möjligt att före interpolationen upptäcka vilka frekvenser som är störda. Man kan därför anta att ringama av frekvenser som är störda av radiosändningar m.m. också i den verkliga situationen har satts till noll.

Ett enkelt sätt att avgöra var stöming förekommer är att helt enkelt lyssna på mot- tagna signaler parallellt med radarmottagaren. Man kan också upptäcka radiostör- ningar genom att transformera en SAR-bild till histogram över frekvensdata. Dessa bör ge ett skarpt tröskelvärde som delar mottagna amplituderi troliga radardata och trolig interferens.

Filterprogrammet implementerat i LabView enligt ovan har testats på simulerade data. lngångsvärden var histogram över SAR-bilder och deras endimensionella motsvarigheter och statistik över radiosändningar. Ett för SAR-bilder tolerabelt REP- värde är mindre än -10 dB. Utresultatet av filtreringen genom "Darwinistisk relaxa- tion" innebar en minskning av REP, sådan att om 30 - 40 % av tillgänglig band- bredd är utstörd av radiostörningar, "Daministisk relaxation" likväl ger användbara bilder. Utan filtrenng kan endast 5 - 10 % av bandbredden vara utstörd. Med andra ord reduceras genom filtreringen REP-värdet vid 30 - 40 % utstöming till att bli jämförbart med REP-värdet vid 5 - 10 % utstöming utan filtrering.

Claims (6)

503 650 10 15 20 25 30 35 Patentkrav:

1. Sätt att vid en radar förbättra radardata genom att interpolera över frekvensband störda av smalbandiga stömingar, dvs. stömingar med mindre bandbredd än band- bredden hos den mottagna radarreturen, innefattande alstring av en radarsignali en radarsändare, sändning av radarsignalen via ett antennsystem, mottagning av radarreturer via ett antennsystem i en radarmottagare och bearbetning av radar- returen i en signalbehandlíngsutmstning, k ä n n e t e c k n at a v (A) att man fastslår, genom avlyssning eller på annat sätt, vilka frekvensvärden som berörs av smalbandig stöming, (B) att varje i tiden kontinuerligt sammanhängande radarretur, representerad av en tidsdiskret reell eller komplex signal f(t¿), innehållande N sampel, i= 1,2,...,N, Fouliertransfonneras till en frekvensdiskret funktion F(a>i), given av N sampel, i=1,2,...,N, (c) an en serie av lrelral M1, M2, NM fixeras, så an 1sN1 (D) att F (mi) modifieras till en funktion Fk(mi) genom att signalbehandlingsutrust- ningen sätter Fk(mi) = F(m;) utanför smalbandiga stömingar och Fk(w;) = Hk(m;) inom områden med smalbandiga stömingar, (E) att H1(mi) sätts lika med 0 och) Hk(co¿) för k z 2 konstrueras enligt följande steg (F) - (H). _ (F) Fk_1(mi) invers-Fouriertransformeras till en tidsdiskret funktion fk_1(ti), (G) fk_1(ti) modifieras till en funktion hk(ti) genom att signalbehandlingsutrustningen sauer nkap = fk_1(r;) för l=1,2,...,Nk_1 där lfk_1(ti) l utgör de NM största vardena av |fk_1(t¿) I och hk(t;) = 0 för övriga N - Nk_1 funktionsvärden, (H) hk(t¿) Fouriertransforrneras till en frekvensdiskret funktion Hk(mi), (l) och att stegen (D) - (H) upprepas M gånger, varvid 1 s k s M och slutligen (J) att FNM(m;) invers-Fouriertransformeras för att ge den slutligen filtrerade radar- returen fNMfli).

2. Sätt enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n at a v att talen N1, N2, NMi steg (s) väljs enllgr Nk = 2K-1, där k är lrelral 1 s k s M.

3. Sätt enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n at a v att talet M väljs som det närmaste heltalet till 2log(%)- 1.

4. Sätt att vid en SAR-radar förbättra en radarbild genom att interpolera över frek- vensband, som återfinns som störda områden inom intervall Q s Jmf -l-pjz s (22 innefattande alstring av en radarsignal i en radarsändare, sändning av radar- 10 15 20 25 503 650 signalen via ett antennsystem, mottagning av radarreturer via ett antennsystem i en radarmottagare och bearbetning av radarreturen i en signalbehandlingsutrustning, vilket bl.a. innefattar framställandet av en tvådimensionell radarbild, kännetecknat av (A) att man fastslår, genom avlyssning eller på annat sätt, vilka frekvensvärden som berörs av smalbandig stöming, (B) att bilden beskrivs genom en tidsdiskret reell eller komplex signal f(xi,yj), inne- hållande N'xN" sampel, i = 1,2,...,N', j = 1,2,...,N", vilken Fouriertransforrneras till en frekvensdiskret funktion F(m;,pJ-), given av N'xN" sampel, i = 1,2,...,N', j = 1,2,...,N", (C) att en serie av heltal N1, Ng, NM fixeras, så att 1sN1 (D) att F(mi,uj) modifieras till en funktion Fkwbuj) genom att signalbehandlings- utrustningen sätter Fk(m;,pj) = F(m;,pj) utanför smalbandiga stömingar och Fk(a_>i,uj) = Hk(mi,uj) inom områden med smalbandiga stömingar, (E) att H1(m¿,uj) sätts lika med 0 och Hkkobpj) för k z 2 konstrueras enligt följande Steg (F) - (H), (F) Fk_1(mi,pj) invers-Fouriertransforrneras till en tidsdiskret funktion fk_1(x;,yj), (G) fk_1(xi,yj) modifieras till en funktion hk(xi,yj) genom att signalbehandlingsutrust- ningen sätter hk(xi,yj) = fk_1(xi,yj) för i=1,2,...,Nk_1 där |fk_1(x;,yj) I utgör de Nk_1 största värdena av lfk_1(xi,yj)| och hk(xi,yj) = 0 för övriga N - Nk_1 funktionsvärden, (H) hk(x;,yj) Fouriertransformeras till en frekvensdiskret funktion Hk(wi,uj), (l) och att stegen (D) - (H) upprepas M gånger, varvid 1 s k s M och slutligen (J) att FNM(mi,jt1-) invers-Fourierlransfonneras för att ge den slutligen filtrerade radarbilden fNM(x;,yj).

5. Sätt enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n at a v att talen N1, Ng, NM i steg (B) väljs enligt Nk = 2k'1, där k är heltal 1 s k s M.

6. Sätt enligt patentkravet 5, k ä n n e t e c k n a t a v att talet M väljs som det närmaste heltalet till zlogá NÉN" J - 1.