ITRM20080493A1

ITRM20080493A1 - Radar-sonar ad immagini

Info

Publication number: ITRM20080493A1
Application number: IT000493A
Authority: IT
Inventors: Roberto Giusto
Original assignee: Roberto Giusto
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2010-03-17

Description

DESCRIZIONE

dell’invenzione industriale avente per titolo :

Radar - Sonar ad immagini

L’invenzione presentata è relativa ad un Radar - Sonar ad immagini da utilizzare per il controllo del traffico veicolare e in applicazioni di tele-sorveglianza per i controlli di sicurezza. Come è noto, in determinate circostanze, le microonde elettromagnetiche e le onde acustiche si propagano meglio delle onde luminose, pertanto, nella tecnica odierna, vengono impiegate sia apparecchiature Radar, in grado di ricostruire immagini di oggetti che si trovano a grandi distanze e che riflettono le microonde, sia apparecchi Sonar e per ecografia, utilizzati per la ricostruzione di immagini di oggetti, immersi in ambienti a prevalente contenuto d’acqua. La riflessione e la propagazione degli echi radar alle frequenze delle microonde e degli echi sonar alle frequenze acustiche sono fenomeni aventi caratteristiche comuni, che consentono di trattare alla stessa maniera sia l’identificazione sia la localizzazione degli echi nello spazio. Pertanto, la presente invenzione tratta in modo unificato applicazioni sia Radar sia Sonar in cui occorre ricostruire immagini di oggetti mediante elaborazione elettronica degli echi Radar - Sonar. Sino ad oggi, lo sviluppo dell’elettronica ha fatto progredire rapidamente queste tecniche. Tuttavia, la diffusione in applicazioni civili delle tecniche Radar e Sonar ad immagini è sostanzialmente ostacolata dalla complessità e dall’elevato costo delle apparecchiature e della sofisticata componentistica.

L’invenzione proposta intende risolvere questo problema di complessità e di costo impiegando algoritmi di identificazione e di elaborazione degli echi e delle immagini, realizzati nella struttura dell’invenzione in maniera riprogrammabile, mediante circuiti a basso costo, aventi elevata capacità di elaborazione e di riconfigurazione.

Tutti i componenti utilizzati in questo contesto sono reperibili a basso costo.

L’invenzione si colloca nel campo tecnico del tele-rilevamento in genere e della telesorveglianza; nel campo applicativo dei sistemi Radar, Sonar e delle apparecchiature per tele-misure e per la sicurezza. L’invenzione viene di seguito descritta a scopo illustrativo e non limitativo facendo riferimento alle figure di seguito allegate :

Fig. 1 - Radar - Sonar ad immagini ;

Fig. 2 - Ricetrasmettitore e circuiti di Compensazione-Amplificazione ;

Fig. 3 - Circuiti di Conversione, Elaborazione e Controllo-interfaccia digitale ;

Fig. 4 - Algoritmo di elaborazione basato su FFT (traformata veloce di Fourier).

1 - Trasduttore TX

1 a - Riflettore-equalizzatore

2 - Trasduttore RX

3 - Mixer a doppia uscita (I & Q)

4 - Oscillatore controllato VCO

5 - Generatore di segnale a “dente di sega”

6 - Sommatore per la compensazione del canale I

7 - Sommatore per la compensazione del canale Q

8 - Generatore dei segnali di compensazione dei canali (I & Q)

9 - Interfaccia dei sincronismi

10 - Amplificatore programmabile del canale I

1 1 - Amplificatore programmabile del canale Q

12 - Convertitore Analogico-Digitale (ADC) del canale I

13 - Convertitore Analogico-Digitale (ADC) del canale Q

S - segnali

14 - Componente complesso FPGA a logica digitale programmabile

15 - Interfaccia di comunicazione-dati

16 - Oscillatore principale

17 - Memoria RAM dinamica

18 - Memoria FLASH non-volatile

19 - Personal computer o rete di computer o terminale grafico

20 - Combinatore dei segnali I & Q (in uscita genera un segnale complesso)

21 - 26 - Blocchi di Memoria (Buffer di segnali) a matrice

22 - 25 - 32 - 33 - 34 - Blocchi di elaborazione FFT (Trasformata veloce di Fourier) 23 - Blocco di trasformazione in matrice trasposta

24 -41 - 42 - 43 - Blocchi per la moltiplicazione complessa di due segnali

27 - Blocco di traslazione degli indici, di moltiplicazione per un fattore di scala e di generazione del segnale di riferimento per la corretta rappresentazione di immagini 28 - Blocco per la moltiplicazione di 3 segnali in ingresso

29 - 30 - 31 - Blocchi di selezione di una sotto-matrice

38 - 39 - 40 - Blocchi che realizzano il coniugato di segnali complessi

35 - Blocco di ritardo di 1 unità temporale

36 - Blocco di ritardo di 2 unità temporali

37 - Blocco di ritardo di 4 unità temporali

L’invenzione può’ avere dimensioni e configurazioni a piacere. Essa è costituita da un Radar - Sonar ad immagini, Fig.1 , in cui A rappresenta un circuito ricetrasmittente, B rappresenta un circuito di compensazione ed amplificazione dei segnali, C rappresenta un circuito di conversione, elaborazione e controllo-interfaccia digitale, mentre 19 rappresenta un Personal Computer o una rete di computer o, piu’ semplicemente, un terminale grafico. Il circuito ricetrasmittente, Fig.2, contenuto nel blocco A, è costituito da un Trasduttore TX 1, da un Trasduttore RX 2, da un Riflettore-equalizzatore 1a, da un Mixer a doppia uscita (I & Q), 3, da un Oscillatore controllato VCO 4. Detto circuito ricetrasmittente provvede alla trasmissione del segnale Radar o Sonar mediante il trasduttore TX 1 di onde elettromagnetiche o sonore, rispettivamente. La frequenza di trasmissione viene modulata periodicamente tramite l'oscillatore controllato VCO 4, in modo che, simultaneamente alla trasmissione, sia possibile ricevere sul trasduttore RX 2 eventuali echi Radar o Sonar, trasformarli in appropriati segnali elettrici ed inviarli direttamente al mixer a doppia uscita (I & Q) 3, da cui si ottiene, a seguito del battimento con il segnale proveniente daH'oscillatore VCO 4, una coppia di segnali a bassa frequenza, contenenti le informazioni d’ampiezza e fase degli echi ricevuti. Si precisa che i trasduttori TX ed RX, 1 e 2, rispettivamente, possono includere componenti attivi per amplificare la potenza delle onde in trasmissione ed amplificare in ricezione anche gli echi piu’ deboli. Il riflettore-equalizzatore 1a svolge l’importante funzione di rendere massima la portata ed uniformi le prestazioni Radar - Sonar in funzione della distanza degli oggetti rilevati, poiché distribuisce opportunamente nello spazio l’energia delle onde trasmesse dal Trasduttore TX 1 ed, in maniera reciproca, raccoglie selettivamente nello spazio gli echi ricevuti dal Trasduttore RX 2. Nel caso Radar il Riflettore-equalizzatore 1a è realizzabile sotto forma di singolo riflettore a doppia curvatura oppure di doppio riflettore. Nel caso del Sonar si può’ realizzare sotto forma di singolo riflettore oppure di lente, avente un idoneo profilo. L’oscillatore controllato VCO 4, è pilotato dal generatore di segnale a “dente di sega” 5, la cui periodicità è controllata tramite l'interfaccia dei sincronismi 9, che egualmente, provvede anche a controllare il generatore dei segnali di compensazione (dei canali I & Q) 8 . Questi segnali servono a compensare, tramite i due sommatori 6 e 7, la coppia di segnali a bassa frequenza provenienti dal mixer a doppia uscita (I & Q), 3.

I segnali I e Q , così compensati e correttamente amplificati mediante gli amplificatori a guadagno programmabile (I e Q) 10 e 11, vengono convertiti in segnali digitali dai rispettivi convertitori ADC (I e Q) 12 e 13 ed, infine, giungono al componente complesso FPGA a Logica Digitale Programmabile, 14, che provvede alla loro elaborazione in tempo-reale in base all’algoritmo, riportato in Fig. 4, e trasferisce le immagini risultanti da queste elaborazioni, tramite interfaccia di comunicazione-dati 15, verso un Personal Computer 19, o una rete di computer o un terminale grafico. Questo componente complesso FPGA, 14, che utilizza per il suo_ funzionamento ottimale una memoria RAM dinamica 17, una memoria FLASH non-volatile 18 e un oscillatore principale 16, controlla digitalmente i guadagni degli amplificatori 10 e 11, i segnali dell’interfaccia dei sincronismi 9 e quelli dei generatori 8 e 5.

Fra gli algoritmi di elaborazione di immagini Radar - Sonar già noti nella letteratura tecnica, è riportato di seguito, in Fig. 4, a scopo puramente descrittivo e non limitativo, un esempio basato sulle trasformate veloci di Fourier (FFT) realizzate nella struttura dell’invenzione, mediante programmazione del componente complesso FPGA a logica digitale programmabile, 14. Il funzionamento dell’algoritmo comporta anzitutto la conversione dei segnali I & Q in segnale complesso nel blocco 20 e la compressione in distanza (range) tramite i blocchi 21, 22, 23. 1 restanti blocchi di Fig. 4 sono utilizzati ai fini della compressione nella direzione trasversale (cross-range). L’invenzione è caratterizzata dal fatto di elaborare i segnali degli echi Radar - Sonar mediante blocchi plurimi di trasformazione tempo-frequenza. Questi ultimi sono realizzabili mediante algoritmi di diversa natura e complessità, pertanto, nell’ambito dell’invenzione, si preferisce l'impiego dei blocchi FFT, 22, 25, 33, 34, 35 collegati a blocchi per la moltiplicazione dei segnali 24, 28, 41, 42, 43 ed, inoltre, ad altri blocchi ausiliari che sono parte integrante dell’algoritmo complesso, descritto in Fig. 4.

Essendo disponibili in letteratura diversi algoritmi complessi, per ricostruire l’immagine di oggetti distanti che danno origine agli echi Radar - Sonar, la scelta di programmare l’algoritmo di Fig. 4 nel componente FPGA, 14, usando blocchi del tipo FFT, 22, 25, 33, 34, 35, unitamente ad altri blocchi, non deve considerarsi limitativa. L’ invenzione presentata è un sistema di tele-rilevamento che, nella sua qualità di Radar ad immagini, risulta utilissimo per il controllo del traffico e per la classificazione degli autoveicoli su strade ed autostrade.

Il vantaggio derivante dal suo impiego riguarda non solo l’elevata accuratezza nell’individuazione delle sagome dei veicoli in transito e nella loro classificazione, ma anche la facilità d'installazione in posizione sopraelevata mediante un palo di moderata altezza, contrariamente ai sistemi attualmente in uso che sono assai invasivi, poiché richiedono l'installazione di spire di grande area che debbono essere inglobate nel manto stradale mediante fresatura e successivo ripristino dello stesso. Il sistema oggetto dell’invenzione presentata è facilmente realizzabile in configurazione portatile, miniaturizzata sino al punto da essere tascabile, ultraleggera ed autonomamente alimentata. Difatti, i circuiti componenti descritti, possono essere miniaturizzati tramite l’opportuna progettazione e fabbricazione di uno o piu’ circuiti specializzati (ASIC), che integrino le funzioni sopraelencate.

Esso potrebbe essere di grande aiuto per l’azione delle forze dell’ordine nel quadro di particolari applicazioni di tele-sorveglianza e di tele-rilevamento.

L’invenzione si presta all’impiego nell’ambito dei sistemi anti-intrusione, poiché può’ cooperare con eventuali altri sistemi di video-sorveglianza al fine di identificare e ricostruire per immagini la forma di oggetti distanti, che sono rivelabili tramite Radar -Sonar anche in condizioni di cattiva visibilità, mentre non sono rivelabili tramite sensori ottici e sensori ad infrarossi, se non a brevissima distanza.

Claims

Rivendicazioni 1. Radar - Sonar ad immagini per il telerilevamento caratterizzato dal fatto di essere essenzialmente costituito da un Trasduttore TX (1), un Trasduttore RX (2), un Riflettore-equalizzatore (1a), un Mixer a doppia uscita I & Q (3), un oscillatore controllato VCO (4), un Generatore a “dente di sega” (5), due Sommatori (6 e 7), un Generatore di segnali di compensazione (8), un’interfaccia dei sincronismi (9), due Amplificatori I & Q (10 e 11), due Convertitori analogici-digitali ADC (I & Q) (12 e 13), un componente complesso FPGA a logica digitale programmabile (14), un’interfaccia di comunicazione-dati (15), un Oscillatore principale (16), una memoria RAM dinamica (17), una memoria FLASH non-volatile (18), un Personal Computer o rete di computer o terminale grafico (19).
2. Radar - Sonar ad immagini, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i suoi componenti sono facilmente reperibili sul mercato a basso costo.
3. Radar - Sonar ad immagini, secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che il Riflettore-equalizzatore (1 a) è progettato e realizzato “ad hoc” al fine di rendere uniformi le prestazioni del sistema in funzione della distanza degli oggetti rilevati e di ottenere la massima portata di tele-rilevamento e di tele-sorveglianza.
4. Radar - Sonar ad immagini, secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che gli algoritmi di elaborazione dei segnali, tipo quelli basati sulle trasformate tempo-frequenza di Fourier, possono essere ottimizzati, programmati e realizzati “ad hoc” nel componente complesso FPGA a logica digitale programmabile (14).
5. Radar - Sonar ad immagini, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di elaborare i segnali degli echi preferibilmente mediante blocchi plurimi di FFT (22), (25), (33), (34), (35) collegati ad ulteriori blocchi che effettuano la moltiplicazione dei segnali (24), (28), (41), (42), (43), i quali, assieme ad altri blocchi ausiliari, costituiscono un algoritmo complesso, in grado di ricostruire per immagini la forma degli oggetti distanti che danno origine agli echi Radar - Sonar.
6. Radar - Sonar ad immagini, secondo le rivendicazioni 1 e 5, caratterizzato dal fatto di poter utilizzare nell’elaborazione dei segnali trasformate tempo-frequenza di qualsiasi tipo e complessità, purché di prestazioni equivalenti o superiori rispetto a quelle delle Trasformate veloci di Fourier FFT (22), (25), (33), (34), (35), preferite.
7. Radar - Sonar ad immagini, secondo le rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di essere miniaturizzabile mediante integrazione delle sue funzioni attraverso la realizzazione di uno o piu’ circuiti integrati ASIC.