Способ повышения разрешающей способности фазированной антенной решетки бортовой станции



Способ повышения разрешающей способности фазированной антенной решетки бортовой станции

 


Владельцы патента RU 2464680:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" (RU)

Изобретение относится к бортовым радиолокационным станциям с фазированной антенной решеткой (ФАР), предназначенным для формирования радиолокационного изображения контролируемого участка земной поверхности и объектов на поверхности в координатах дальность - азимут или угол места - азимут в режиме реального луча при маловысотном полете летательного аппарата - носителя РЛС, также к бортовым радиотеплолокационным станциям, принимающим и усиливающим излученный тепловой сигнал в радиолокационном диапазоне длин волн. Технический результат направлен на повышение угловой разрешающей способности ФАР в режиме реального луча. Способ повышения разрешающей способности фазированной антенной решетки бортовой станции заключается в формировании для заданного углового направления диаграммы направленности ФАР, отличающийся тем, что по совокупности принятых всеми каналами ФАР сигналов выделяют составляющие поля отражения или излучения с повышенным в несколько раз угловым разрешением.

 

Изобретение относится к бортовым радиолокационным станциям (БРЛС) с фазированной антенной решеткой (ФАР), предназначенным для формирования радиолокационного изображения (РЛИ) контролируемого участка земной поверхности и объектов на поверхности в координатах дальность - азимут или угол места - азимут в режиме реального луча (РЛ) при маловысотном полете летательного аппарата - носителя РЛС. Режим РЛ удобен при наблюдении земной поверхности с борта маневрирующего самолета или зависшего вертолета в передней зоне обзора, т.е. в условиях, при которых известные методы синтезирования апертуры антенны [1], позволяющие добиться высокой разрешающей способности по азимуту при стабильном высокоскоростном полете, оказываются неработоспособными. Способ относится также к бортовым радиотепло локационным станциям (РТЛС) [2], принимающим и усиливающим излученный тепловой сигнал в радиолокационном диапазоне длин волн.

Известен способ получения узкой диаграммы направленности (ДН) в БРЛС с линейной или плоской ФАР [3, с.29, 43, 86], [4, с.28, 40], а также способ формирования РЛИ в координатах дальность - азимут или угол места - азимут с помощью электронного сканирования луча ФАР [5, с.438].

Наиболее близким по технической сущности является способ [3, 4], который заключается в следующем.

1. Для ФАР, состоящей из N расположенных определенным образом в плоскости антенны каналов (каждый канал объединяет в себе несколько элементов ФАР), заранее рассчитывают комплексные весовые коэффициенты , , для оптимального (по определенному критерию) приема сигнала по ширине диаграммы направленности (ДН) антенны.

2. Формируют ДН ФАР с использованием весовых коэффициентов

где θ и φ - угол места и азимут линии визирования антенны (направления излучения максимальной мощности и приема отраженного сигнала), отсчитываемые от нормали к плоскости антенны; ψk(θ, φ) - фаза сигнала в k-м канале; i - мнимая единица.

3. При приеме отраженного радиолокационного или излученного радиотеплолокационного сигнала с направления (θ, φ) комплексные сигналы , принятые в k-х каналах ФАР , суммируют с весовыми коэффициентами , , и оценивают амплитуду u(θ, φ) принятого по ширине ДН сигнала по формуле

где |…| - взятие модуля.

Вычисленная в (2) амплитуда u(θ, φ) характеризует свойства отражения в РЛС или излучения в РТЛС наблюдаемой поверхности в пределах эффективной (на уровне 0,5 мощности) ширины ДН в направлении (θ, φ), например, 1°-2°. Данная ширина определяет угловую разрешающую способность ФАР в режиме РЛ.

При наблюдении земной поверхности с помощью БРЛС данный способ применяют совместно с электронным сканированием луча, что легко реализуется в ФАР [5]. При сканировании по азимуту при фиксированном угле места вычисляют амплитуду отраженного сигнала (2) в элементах разрешения дальности и формируют РЛИ поверхности в координатах дальность R - азимут φ с угловым разрешением, равным ширине ДН ФАР.

Однако рассмотренный способ обладает следующим недостатком. При наблюдении малоразмерных объектов на земной поверхности углового разрешения в 1°-2° недостаточно, так как линейная разрешающая способность, равная произведению угловой разрешающей способности (в радианах) на радиальную (наклонную) дальность, может составлять десятки и сотни метров даже на небольшой дальности (1-10 км).

В радиотеплолокационных системах наблюдения миллиметрового диапазона [6] перспективным считается применение ФАР, однако для РТЛС еще острее стоит проблема повышения разрешающей способности при получении тепловых изображений объектов.

Технический результат направлен на повышение угловой разрешающей способности ФАР в режиме РЛ.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что способ повышения разрешающей способности фазированной антенной решетки бортовой станции, заключающийся в формировании диаграммы направленности (ДН) N-канальной ФАР с использованием рассчитанных комплексных весовых коэффициентов k-х каналов (, N - число каналов), отличается тем, что при приеме отраженного или излученного земной поверхностью сигнала с направления (θ, φ) угла места и азимута комплексные сигналы , принятые в k-х каналах ФАР суммируют с другими весовыми коэффициентами , , рассчитанными методом восстановления n угловых составляющих поля отражения или излучения земной поверхности в пределах ширины ДН ФАР (n<N), и осуществляют оценивание j-x составляющих по формуле

затем берут модули оценок и получают амплитудное изображение u(θj, φj), , элементов поверхности, наблюдаемых в пределах ширины ДН с повышенным в n раз угловым разрешением.

Способ для линейной ФАР осуществляют следующим образом.

1. Для линейной ФАР, элементы которой объединены в N каналов и расположены в плоскости антенны равномерно и параллельно земной поверхности, заранее рассчитывают комплексные весовые коэффициенты необходимые для формирования ДН ФАР. В основу расчета можно положить модель сигналов , принимаемых с углового направления (θ, φ) k-ми каналами ФАР [3]

ψk(θ, φ)=2π(k-1)(d/λ)cosθsinφ, ,

где u(θ, φ) - амплитуда сигнала, принятого по ширине ДН, характеризующая отражающую или излучающую способность поверхности, накрываемой ДН; k - номер канала; N - число каналов; d - расстояние между центрами каналов; λ - длина волны; - нормальный комплексный шум с нулевым средним и ковариационной матрицей Rξ, или в векторной форме

Y=u(θ, φ)E+V,

где Y-N - вектор-столбец входных сигналов ; E - N-вектор экспонент в (3); V - N-вектор помех .

Для поиска оптимальной оценки u(θ, φ) применяют различные критерии [3]: максимума функции правдоподобия, минимума дисперсии шума, максимума отношения сигнал-шум [сигнал-(помеха+шум)], минимума среднеквадратического отклонения (СКО) ошибки и др. В случае использования критерия максимума по u(θ, φ) функции правдоподобия

где H - символ комплексного сопряжения и транспонирования,

находят оптимальную оценку u(θ, φ):

где - N - вектор-столбец весовых коэффициентов .

Для некоррелированных помех W=Е/(EHE).

2. По формуле (1) с помощью полученных весовых коэффициентов формируют ДН ФАР G(θ, φ), в соответствии с которой распределяется мощность сигнала, принимаемого по направлениям θ, φ.

3. Сигнал принятый с направления (θ, φ) k-ми каналами ФАР можно представить моделью, в которой учитываются j-е угловые составляющие поля отражения или излучения по ширине ДН ФАР:

ψk(θ, φj)=2π(k-1)(d/λ)cos θ sin φj φj=φ+(j-1/2)Δφ/n, ,

где суммирование ведется по n элементам дискретизации азимута в области пересечения ДН всех каналов; G(θ, φ) - нормированный коэффициент усиления ДН в j-м элементе дискретизации ДН, полученный в соответствии с (1); u(θ, φ) - амплитуда, характеризующая отражающую или излучающую способность j-го элемента поверхности в j-м направлении азимута; η - случайная величина, равномерно распределенная на [0,2π], описывающая неопределенность отражения; - комплексный белый шум.

4. Вводятся следующие обозначения: - комплексный j-й элемент дискретизации - параметр поля отражения или излучения (совокупность таких элементов по j представляет дискретное поле в пределах ширины ДН по азимуту);

- характеристика ДН k-го канала в дискретных точках азимута φj в сечении θ. Тогда модель измерений (5) принимает вид:

или в векторно-матричной форме:

где Y - N-вектор-столбец измерений A - Nxn-матрица значений X - n-вектор-столбец параметров поля отражения ; V - N-вектор-столбец помех .

5. Решение системы (6) относительно эквивалентно решению векторно-матричного уравнения (7), например, методами нахождения псевдообратной матрицы А+, отвечающими критерию минимума евклидовой нормы , при этом оптимальная оценка X находится как линейная операция вида:

где прямоугольная nxN-матрица А+ вычисляется заранее или методом сингулярного разложения матрицы A [7], или методом регуляризации по Тихонову [8], например А+=(АHА+δI)-1AH, где δ - параметр регуляризации; I - единичная матрица.

6. Модули составляющих вектора представляют собой амплитудное изображение элементов поверхности, наблюдаемых в пределах ширины ДН по азимуту в угловом направлении (θ, φ). При достаточно высокой точности восстановления достигается эффект повышения разрешающей способности ФАР по азимуту в n раз.

Способ для плоской ФАР осуществляют следующим образом.

1. Для плоской ФАР, элементы которой объединены в N=N1N2 каналов, расположенных в строках и столбцах плоскости антенны [3, 4], также заранее рассчитывают весовые коэффициенты , необходимые для формирования ДН ФАР. При расчете можно рассмотреть модель сигналов принимаемых с углового направления (θ, φ) k1, k2-ми каналами:

,

,

,

, ,

где k1 и k2 - номера каналов соответственно по строке и столбцу; d1 и d2 - расстояния между центрами каналов в строках и столбцах плоскости ФАР, или в векторной форме:

Y=u(θ, φ)E+V,

где Y - N-вектор-столбец входных сигналов построчно расположенных в составе данного вектора и записанных в сквозной нумерации: , ; E - N-вектор экспонент в (3); V - N-вектор помех .

Метод нахождения комплексных весовых коэффициентов (в сквозной нумерации , аналогичен рассмотренному выше методу максимального правдоподобия.

2. ДН ФАР G(θ, φ) имеет вид:

Если коэффициенты разделяются по переменным k1 и k2: то ДН (10) можно представить:

3. Модель принимаемых в k1, k2-х каналах отраженных сигналов:

,

, ,

где суммирование ведется по n=n1n2 элементам дискретизации угла места и азимута в области пересечения ДН всех каналов; - нормированный коэффициент усиления ДН в j1, j2-м элементах дискретизации ДН, полученный в соответствии с (9); - амплитуда, характеризующая отражающую или излучающую способность j1, j2-го элементов поверхности с угловыми координатами d1 и d2 - расстояния между центрами каналов по строке и столбцу; η - случайная величина, равномерно распределенная на [0,2π]; - комплексный белый шум.

4. Вводятся обозначения:

- комплексный j1, j2-й элемент поля отражения;

- характеристика ДН k1, k2-го канала в дискретных точках угла места и азимута . При этом модель измерений (11) принимает вид:

Систему (11) представляют в векторно-матричной форме (7), при этом измерения и помехи записывают построчно в N-векторы-столбцы Y и V (N=N1N2), - в n-вектор-столбец X {n=n1n2), - в Nxn-матрицу A, с последующим решением (8).

Более удобной для вычислений является модель (12), которая с учетом свойства ДН (10) разделения по переменным:

,

принимает вид

или в матричной форме [9]:

Y=AXB+V,

где Y - N1xN2-матрица измерений , , ;

A - N1xn1 - матрица коэффициентов , , ;

X - n1xn2 - матрица искомых параметров поля отражения (искомого изображения наблюдаемого участка поверхности);

B - n2xN2 - матрица коэффициентов записанная в транспонированном порядке по отношению к матрице A;

V-N1xN2 - матрица помех , , .

5. Находят оценку матрицы X, оптимальную по критерию минимума следа матрицы (Y-АХВ)Н(Y-АХВ), по формуле [9]:

или в виде двухэтапной процедуры:

.

,

где WA=(AHA)-1AH, WB=BH(BBH)-1 - матрицы комплексных весовых коэффициентов .

Модули элементов комплексной матрицы оценок по совокупности j1, j2 дают изображение участка поверхности с повышенным в n=n1n2 раз угловым разрешением.

Оценки (13) также можно представить в виде взвешенной суммы измерений по формуле (3) при сквозной нумерации (, ) элементов матриц X, Y, W и их переписывании в соответствующие векторы.

В качестве примера для линейной ФАР рассчитывалась амплитудная ДН |G(θ, φ)| в соответствии с (1), (4) для некоррелированных помех при θ=0 и центрального азимутального направления φ=45°. Измерения моделировались в соответствии с (5). Искомое амплитудное изображение U(θ, φj), моделировалось чередованием нулей и импульсов с амплитудой U=10. Точность восстановления U(θ, φj) на множестве реализаций случайной величины оценивалась по среднеквадратическому отклонению (СКО) σΔU ошибки восстановления и считалась удовлетворительной для повышения разрешения по азимуту в n раз при σΔU≈0,1. Сравнивались два способа: способ 1 (прототип), основанный на формировании ДН в ФАР по формуле (1) с вычислением вектора весовых коэффициентов W=E/(ЕНЕ), и способ 2, основанный на восстановлении элементов поля по формуле (8).

В таблице для числа каналов N=20 и N=40 отношения d/λ=2 и СКО помехи σξ=0,1 показана эффективная ширина ДН по азимуту Δφ в градусах, полученная способом 1, и сверхразрешение в градусах Δφ*, достигнутое способом 2. На данном примере видно, что предложенный способ позволяет повысить разрешающую способность ФАР по азимуту в 3 раза по сравнению с прототипом.

Способ 1 Способ 2
N 20 40 N 20 40
Δφ 30 20 Δφ* 10 0,60

Предложенный способ при его реализации на базе бортовых РЛС и РТЛС позволит повысить четкость изображения земной поверхности и объектов на поверхности, соответственно повысить безопасность маловысотных полетов.

Библиографический список

1. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны / В.Н.Антипов, В.Т.Горяинов, А.Н.Кулин, Толстов Е.Ф. и др. Под ред. В.Т.Горяинова. - М.: Радио и связь, 1988. 304 с.

2. Николаев А.Г., Перцов С.В. Радиотеплолокация (пассивная радиолокация). - М.: Сов. радио, 1964. 335 с.

3. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию/ пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1986. 448 с.

4. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток: Учебное пособие для вузов / Д.И.Воскресенский, В.И.Степаненко, B.C.Филиппов и др. Под. ред. Д.И.Воскресенского. - М.: Радиотехника, 2003. 632 с.

5. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1983. 536 с.

6. Пирогов Ю.А., Тимановский А.Л. Сверхразрешение в системах пассивного радиовидения миллиметрового диапазона // Радиотехника. 2006. №3. С.14-19.

7. Прэтт У. Цифровая обработка изображений / пер. с англ. - М.: Мир, 1982. Кн. 1.310 с, кн.2. 480 с.

8. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач: учебн. пособие. - М.: Наука, 1986. 288 с.

9. Математические методы восстановления и обработки изображений в радиотеплооптоэлектронных системах / В.К.Клочко. Рязань: РГРТУ, 2009. 228 с.

Способ повышения разрешающей способности фазированной антенной решетки (ФАР) бортовой станции, заключающийся в формировании диаграммы направленности (ДН) N-канальной ФАР с использованием рассчитанных комплексных весовых коэффициентов k-x каналов N - число каналов), отличающийся тем, что при приеме отраженного или излученного земной поверхностью сигнала с направления (θ, φ) угла места и азимута комплексные сигналы принятые в k-x каналах ФАР суммируют с другими весовыми коэффициентами рассчитанными методом восстановления n угловых составляющих поля отражения или излучения земной поверхности в пределах ширины ДН ФАР (n<N), и осуществляют оценивание j-x составляющих по формуле

затем берут модули оценок и получают амплитудное изображение u(θjj), , элементов поверхности, наблюдаемых в пределах ширины ДН с повышенным в n раз угловым разрешением.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к антенному устройству и системе беспроводной связи. .

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в качестве поворотного устройства для азимутального и угломестного перемещения антенны. .

Изобретение относится к области антенных систем и может быть использовано в системах спутниковой и мобильной связи СВЧ диапазона с активными фазированными антенными решетками с управляемой диаграммой направленности в дуплексном режиме.

Изобретение относится к антенной технике, а именно к приводам антенных систем, и может быть использовано в средствах локации, в судовых навигационных радиолокационных станциях (СН РЛС).

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для решения задачи формирования провала в диаграммах направленности (ДН) плоских фазированных антенных решеток (ФАР) путем изменения лишь фаз возбуждений ее элементов.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для оптимального управления комплексными взвешивающими устройствами в каналах моноимпульсных антенных решеток (MAP).

Изобретение относится к радиолокации, в частности к активной фазированной антенной решетке (АФАР), управляемой как по направлению излучения и приема, так и по параметрам зондирующего сигнала, работающей в составе импульсно-доплеровской бортовой радиолокационной станции (БРЛС).

Изобретение относится к области способов управления формированием требуемых характеристик амплитудно-фазового распределения поля (АФР) в раскрыве адаптивной антенной решетки (ААР).

Изобретение относится к области радиосвязи, в частности к способу юстировки антенн, и может использоваться при организации каналов связи между мобильными комплексами связи.

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах связи при приеме широкополосных сигналов в условиях воздействия широкополосных помех

Изобретение относится к области расходометрии и может быть использовано для измерения уровня сыпучих веществ в резервуарах

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для оптимального управления комплексными взвешивающими устройствами в каналах антенных решеток по критерию максимума отношения сигнал/шум + помеха

Изобретение относится к антенной технике, может быть широко использовано в качестве самостоятельной приемной или передающей антенны или элемента фазированной антенной решетки, в частности, антенна может применяться как приемная антенна в аппаратуре пользователей космических навигационной систем (GPS, ГЛОНАСС/GPS и т.п.), и позволяет уменьшить габариты микрополосковой антенны без уменьшения эффективности ее излучения

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокации для обнаружения целей, их захвата и сопровождения, например в радиолокационных системах управления оружием

Изобретение относится к антенной технике, в частности к активным пространственным передающим антенным решеткам миллиметрового диапазона волн, и может быть использовано при создании антенн с немеханическим качанием луча антенны для сверхскоростной (более 15 Гбит/с) спутниковой информации

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для управления комплексными взвешивающими устройствами в каналах антенных решеток по критерию максимума заданного энергетического функционала

Изобретение относится к радиолокационным системам сопровождения с повышенной точностью определения угловых координат

Изобретение относится к антенной технике и предназначено для формирования диаграммы направленности (ДН) в связных или радиолокационных активных фазированных антенных решетках (АФАР). Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства за счет увеличения динамического диапазона, обеспечения возможности отладки и контроля алгоритма работы устройства и увеличение дальности передачи сформированных данных. Устройство формирования ДН АФАР содержит N идентичных каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные УПЧ, вход которых является входом канала, АЦП, коммутатор, на второй вход которого подключен выход ОЗУ, блок цифрового гетеродина, перемножитель, ко второму входу которого подключено ПЗУ, а квадратурный выход которого является выходом канала. Выходы всех N каналов подключены ко входам цифрового сумматора, выход которого подключен к последовательно соединенным цифровому фильтру, блоку сопряжения и оптическому передатчику, выход которого является выходом устройства. 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к активным фазированным антенным решеткам (АФАР), которые предназначены для использования в РЛС. Техническим результатом является создание элемента АФАР отражательного типа с более высоким коэффициентом полезного действия и более низким уровнем шумов, способного работать в составе АФАР отражательного типа с двумя ортогональными круговыми поляризациями. Элемент активной фазированной антенной решетки отражательного типа, содержащий излучатель, фазовращатель проходного типа, усилитель, волноводный селектор круговых поляризаций с функцией преобразователя поляризаций, вход которого соединен с выходом фазовращателя, входом соединенным с излучателем, при этом выходы волноводного селектора круговых поляризаций с функцией преобразователя поляризаций подключены ко входам волноводно-полосковых переходов, к выходам которых подключен усилитель. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх