Способ и радиолокационная система для фильтрации мешающих отражений в широкополосных радиолокационных сигналах

Предложен способ обеспечения фильтрации мешающих отражений в широкополосных радиолокационных сигналах путем получения меры импеданса эхо-сигнала цели. Сущность изобретения заключается в том, что выбирают разрешение по дальности и вычисляют энергетический спектр для необходимого излучаемого сигнала. Оценивают профиль (ρ(τ)) площади цели с использованием корреляции между излученным сигналом и принятым отраженным сигналом в форме свертки. Вычисляют импеданс цели и отфильтровывают цель с использованием полученного импеданса цели. Достигаемым техническим результатом является повышение точности фильтрации мешающих отражений в широкополосных радиолокационных сигналах. 2 н. и 3 з.п. ф-лы.

 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу различения эхо-сигналов от истинных радиолокационных целей, представляющих интерес, от целей, не представляющих интереса, а также помех, рассматриваемых как мешающие отражения.

Предшествующий уровень техники

Стремление обеспечить селекцию целей на фоне мешающих отражений всегда было целью радиолокационных датчиков. Традиционно это было основано на том, что скорость движущейся цели отличается от помех фона, таких как присутствующие мешающие отражения. Эхо-сигналы мешающих отражений могут, например, быть обусловлены малыми градиентами в окружающей среде, такой как воздушная среда или окружающая водная поверхность. Поэтому различные доплеровские фильтры разработаны для решения этой задачи.

Таким образом, все современные решения в основном представляются основанными на доплеровской сигнальной информации, выделяемой из принятых эхо-сигналов. Однако типичные решения в настоящее время используют кодированные в полном диапазоне длинные импульсы, например, использующие двоичные фазовые коды или сигналы расширенного спектра, работая в таких случаях при больших значениях ширины полосы приемника. Некоторые из этих сигналов будут напоминать шумовые сигналы или сигналы мешающих отражений, или сигнал источника активных помех.

Такие широкополосные радиолокационные сигналы в общем случае не проявляют какой-либо явно выраженной несущей, что, в свою очередь, приводит к тому, что общепринятая фильтрация по скорости не может осуществляться с использованием обычных доплеровских методов. Однако в новых широкополосных радиолокационных системах будут иметься дополнительные возможности измерения также иных параметров эхо-сигналов и построения фильтров, которые, например, могут непосредственно отфильтровывать отражения от объектов, имеющих металлические поверхности, и селектировать их, например, от целей, в типовом случае с неметаллическими поверхностями.

Сущность изобретения

Заявлен способ создания инструмента для фильтрации мешающих отражений в широкополосных радиолокационных сигналах для получения меры импеданса отражающей цели. Затем выбирается разрешение по дальности и вычисляется энергетический спектр для необходимого передаваемого сигнала. Кроме того, профиль ρ(τ) площади цели оценивается с использованием корреляции между излученным сигналом и принятым сигналом в форме свертки. Затем вычисляется импеданс цели как функция времени с использованием соотношения:

где Z₀ - импеданс свободного пространства. Затем посредством полученного импеданса, характеризующего эхо-сигнал цели, цель может быть отфильтрована.

Заявленный способ изложен в независимом пункте 1 формулы изобретения, а дополнительные аспекты определены зависимыми пунктами 2-4. Радиолокационная система, использующая заявленный способ, охарактеризована в независимом пункте 5 формулы изобретения.

Детальное описание

Как указано, новые широкополосные радиолокационные системы открывают возможности для измерения также других параметров, например, индикации импеданса целей и затем построения фильтров, которые отфильтровывают, например, отражения от металлических объектов (Z=0).

Для упрощения вычислений предположим, что используется ограниченный по ширине полосы широкополосный шумовой сигнал, имеющий среднее значение, равное нулю, согласно выражению:

(1)

где s_I(t) и s_Q(t) два гауссовых шумовых процесса и f₀ - центральная частота. Гауссовский шум имеет относительно большие амплитудные изменения, следствием чего является то, что передатчик с ограничением по амплитуде будет использоваться неэффективно. Поэтому модулированный по фазе шум типа s(t)=cos[ω₀t + θ(t)], имеющий подходящее статистическое распределение, может быть более предпочтительным на практике. Уравнение (1) может быть тогда альтернативно записано следующим образом:

(2)

Функция огибающей А(t) имеет рэлеевское распределение и определяется в следующем виде:

(3)

Функция фазы равномерно распределена на интервале и определяется следующим образом:

(4)

Можно также представить сигнал в комплексной аналитической форме согласно выражению:

(5)

Предположим, что радиолокационная станция является стационарной и передает эргодическое колебание s(t) со средним значением, равным нулю. Эргодическая теория может быть наилучшим образом описана как статистическое и качественное поведение измеряемого действия групп или полугрупп в измеряемом пространстве, обладающем неотрицательной метрикой. (Эргодическая теория изложена в работах Больцмана в области проблем статистической механики, где усреднения временного и пространственного распределения равны.) Это предположение упрощает вычисления, но пока еще не накладывает ограничения. Подвижная радиолокационная станция, имеющая скорость v, означает, что время масштабировано в соответствии с выражением Принимаемый сигнал от отражающего профиля для расстояния от 0 до R_max может быть записан в виде:

где с₀ - скорость света и n(t) представляет аддитивный шум и возможные искажения. Отражающий профиль лежит внутри единичной окружности в комплексной плоскости и представляет сумму всех подмножеств отражений в элементе разрешения. Например, для элемента разрешения, включающего в себя воздушное пространство и объекты из металла, отражающий профиль будет суммой вкладов с коэффициентами отражения 0 и -1, соответственно. Таким образом, результирующий коэффициент отражения может находиться на линии между 0 и -1.

В соответствии с теорией эргодических процессов, r(t) также становится стационарным и эргодическим. Поэтому временная корреляция может быть использована для аппроксимации взаимной корреляции между задержанной по времени копией сопряженной величины передаваемого сигнала и принимаемого сигнала r(t) в соответствии с выражением:

где Т представляет интервал интегрирования корреляции. Для большого Т второй член в уравнении (7) стремится к нулю, поскольку шум n(t) не коррелирован с передаваемым сигналом s(t). В результате может быть получено следующее выражение:

где символ ⊗ обозначает свертку. Кроме того, справедливо равенство:

где p - автокорреляционная функция излученного шумового сигнала s(t). Из уравнения (8) явно следует, что принимаемый сигнал представляет собой свертку отражающего профиля с автокорреляционной функцией излученного сигнала. Таким образом, разрешение по дальности определяется автокорреляционной функцией передаваемого сигнала, которая зависит от ширины полосы передаваемого сигнала и формы его энергетического спектра P(ω). Легко показать, что имеется простое соотношениемежду автокорреляционной функцией сигнала и его энергетическим спектром P(ω), поскольку эти два выражения образуют пару преобразований Фурье:

Следовательно, можно выбрать разрешение по дальности, определяемое посредством , и вычислить энергетический спектр P(ω) для необходимого передаваемого сигнала. Свертка во временной области тогда соответствует умножению в частотной области. Поэтому профиль площади цели может быть оценен в соответствии с выражением:

и импеданс как функция времени (расстояния) может быть вычислен соответственно выражению:

где есть импеданс свободного пространства ( или ≈ 377 Ом). Время τ может быть пересчитано в расстояние R согласно выражению:

Например, известно, что металлические объекты характеризуются значением ρ=-1 и Z=0. Таким образом, цель, имеющая другой типовой коэффициент отражения и импеданс, может быть отфильтрована тем же путем, что и в примере с металлическими объектами. Однако следует отметить, что коэффициент отражения каждого отдельного элемента разрешения представляет сумму всех парциальных отражений в элементе разрешения. На практике, пороговое значение, представляющее некоторое расстояние от начала координат, должно быть превышено, чтобы обеспечить определение импеданса эхо-сигнала. Угол в комплексной плоскости для рассматриваемого определения означает фазу суммы парциальных отражений внутри элемента разрешения. Например, преобладающий вклад отражений от металлических объектов приведет к определению угла близкого к -π.

В общем случае справедливо, что импеданс объекта определяется его проводимостью σ диэлектрической постоянной ε и магнитной проницаемостью μ в соответствии с выражением:

Обнаружение металлических объектов является чрезвычайно простым, так как частотная зависимость согласно выражению (14)

пропадает по мере того как

lim Z(ω, σ, ε_r, μ_r)=0

σ→∞

Иными словами, фильтрация импеданса в соответствии с настоящим изобретения позволит выделить эхо-сигналы от металлической цели в ситуации, когда имеется стационарная цель даже на фоне стационарных мешающих отражений, когда обычное доплеровское обнаружение не позволит различить цель на фоне мешающих отражений.

Для дальнейшего повышения возможностей различения полученного импеданса цели от другого обнаруженного импеданса, может быть использован любой обычный метод фильтрации, хорошо известный специалистам в данной области техники.

Также специалистам в данной области техники должно быть понятно, что различные модификации и изменения могут быть внесены в способ, соответствующий изобретению, без отклонения от его сущности и объема, который определен формулой изобретения.

1. Способ обеспечения фильтрации мешающих отражений в широкополосных радиолокационных сигналах путем получения меры импеданса цели, отличающийся тем, что содержит этапы, на которых выбирают разрешение по дальности, которое определяется посредством автокорреляционной функции (р(τ)) излученного шумового сигнала и вычисляют энергетический спектр (Р(ω)) для необходимого излученного шумового сигнала, оценивают отражающий профиль (ρ(τ)) площади цели с использованием корреляции (g(τ)) между излученным шумовым сигналом и принятым отраженным сигналом, вычисляют импеданс Z(τ) цели как функцию времени с использованием соотношения

где Z₀ - импеданс свободного пространства,

и отфильтровывают с помощью фильтра сигнал, отраженный от цели, с использованием вычисленного импеданса цели.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит этап вычисления корреляции (g(τ)) между излученным шумовым сигналом и принятым отраженным сигналом как свертку сигнала отражающего профиля (ρ(τ)) площади цели и автокорреляционной функции излученного шумового сигнала (ρ(τ)).

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит этап пересчета времени (τ) в расстояние (R) до отражающего профиля площади цели с использованием того факта, что R=c₀·τ·1/2, где с₀ - скорость света.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что упомянутая фильтрация посредством фильтра дополнительно содержит этап использования фазы импеданса цели как суммы парциальных отражений внутри элемента разрешения с использованием плоскости комплексного представления, причем преобладающий вклад металлических объектов в определяемом отраженном сигнале цели приводит к получению фазы, близкой к -π.

5. Радиолокационная система, отличающаяся тем, что упомянутая радиолокационная система содержит средства для выполнения способа, согласно предыдущим пп.1-4.