Способ определения координат цели в рлс с непрерывным излучением
Владельцы патента RU 2699240:
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к радиолокации и может использоваться в радиотехнических системах с непрерывным излучением для определения дальности, радиальной скорости и углового положения высокоскоростных целей при их значительном перемещении за период модуляции зондирующего сигнала. Достигаемый технический результат – повышение точности определения пространственного положения цели за счет определения ее углового положения. Способ определения координат цели в радиолокационных станциях с непрерывным излучением состоит в зондировании цели широкополосным сигналом с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), приеме, усилении и демодуляции отраженных сигналов с двух разнесенных в пространстве на расстояние d антенн, формировании набора опорных сигналов с различной крутизной ЛЧМ, перемножении каждого сигнала из набора с сигналом биений одного из каналов, вычислении комплексных спектров полученных результатов перемножений, поиске частотной составляющей с максимальной амплитудой в вычисленных комплексных спектрах, определении ее фазы ϕ1 и положения, характеризующегося соответствующими номером опорного сигнала nc и значением ее частоты fRд, определении по значению nc опорного сигнала из набора и соответствующую ему радиальную скорость цели , вычислении по значению fRд дальности до цели , компенсации дополнительной ЛЧМ в сигнале другого канала путем умножения на опорный сигнал с номером nс, вычислении комплексного спектра компенсированного сигнала, определении значения фазы ϕ2 спектральной составляющей на частоте fRд, вычислении по разности фаз углового положения цели Θ. 2 ил.
Изобретение относится к радиолокации и может использоваться в радиотехнических системах с непрерывным излучением для определения дальности, радиальной скорости и углового положения высокоскоростных целей при их значительном перемещении за период модуляции зондирующего сигнала.
Известен способ (аналог) определения дальности и радиальной скорости цели в РЛС с непрерывным излучением [Патент Российской Федерации №2635366, МПК G01S 13/42, опубл. 13.11.2017], заключающийся в зондировании цели сигналом с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), приеме отраженного сигнала, демодуляции принятого сигнала, запоминании демодулированного сигнала в течение периода модуляции зондирующего сигнала, определении крутизны этой ЛЧМ, вычислении по ее значению скорости цели и формировании опорного ЛЧМ сигнала, перемножении опорного сигнала с запомненным демодулированным сигналом, получении сигнала с компенсированной доплеровской частотой и дополнительной ЛЧМ, по значению частоты которого вычисляют дальность до цели.
Недостаток заключается в том, что способ обеспечивает измерение только дальности и радиальной скорости цели.
Наиболее близким способом является способ определения координат цели (прототип) [Рязанцев Л.Б., Лихачев В.П. Оценка дальности и радиальной скорости объектов широкополосной радиолокационной станцией в условиях миграции отметок по каналам дальности. Измерительная техника №11, 2017. С. 61-64], основанный на зондировании цели сигналом с линейной частотной модуляцией, приеме отраженного сигнала, демодуляции принятого сигнала, формировании набора опорных сигналов с различной крутизной линейной частотной модуляции, диапазон значений которой выбирается, исходя из априорного диапазона скоростей цели, а количество опорных сигналов - точностью определения ее скорости, перемножении каждого опорного сигнала с демодулированным сигналом, формировании набора спектров результатов перемножения, определении номера спектра nc и частоты fRд, соответствующих спектральной составляющей с максимальной амплитудой, вычислении по найденным nc и fRд дальности и радиальной скорости цели.
Недостаток заключается в том, что способ обеспечивает измерение только дальности и радиальной скорости цели.
Технический результат данного изобретения состоит в повышении точности определения пространственного положения цели за счет измерения ее углового положения.
Технический результат достигается тем, что в известном способе, заключающемся в зондировании цели сигналом с линейной частотной модуляцией, приеме первой приемной антенной отраженного сигнала, демодуляции принятого сигнала, формировании набора опорных сигналов с различной крутизной линейной частотной модуляции, диапазон значений которой выбирается, исходя из априорного диапазона скоростей цели, а количество опорных сигналов - точностью определения ее скорости, перемножении каждого опорного сигнала с демодулированным сигналом, формировании набора спектров результатов перемножения, определении номера спектра nc и частоты fRд, соответствующих спектральной составляющей с максимальной амплитудой, вычислении по найденным nc и fRд дальности и радиальной скорости цели, согласно изобретения, дополнительно определяют значение фазы ϕ1 спектральной составляющей с максимальной амплитудой, принимают отраженный сигнал второй антенной, разнесенной в пространстве от первой на расстояние d, демодулируют принятый сигнал, компенсируют дополнительную ЛЧМ демодулированного сигнала, вычисляют его спектр, определяют значение фазы ϕ2 спектральной составляющей на частоте fRд, и по разности фаз ϕ1 и ϕ2 определяют угловую координату цели.
Сущность способа состоит в следующем. Согласно прототипа широкополосный сигнал с линейной частотной модуляцией, характеризуемый периодом модуляции Тм, начальной частотой f0 и шириной спектра (девиацией) Δfc, излучается в пространство передающей антенной [Рязанцев Л.Б., Купряшкин И.Ф., Лихачев В.П., Гнездилов М.В. Алгоритм формирования радиолокационных изображений с субметровым разрешением в малогабаритных РЛС с синтезированной апертурой. Цифровая обработка сигналов №2, 2018. С. 53-58]
где tм∈[0,Tм]; μ=Δfc/Tм и ϕ0 - крутизна (скорость изменения частоты) ЛЧМ и начальная фаза сигнала соответственно.
Отраженный от цели сигнал принимается двумя приемными антеннами, разнесенными друг от друга на расстояние d. Принятый каждой антенной сигнал в отдельном периоде модуляции (зондирования) описывается выражениями
где Ац - амплитуда эхо-сигнала цели; τз(tм)=2Rц(tм)/c и Rц(tм) - закон изменения времени запаздывания эхо-сигнала и расстояния между фазовым центром антенн РЛС и целью соответственно; с - скорость распространения электромагнитного излучения; Δϕ=27πdsin(Θ)/λ, - разность фаз принимаемых колебаний разнесенными антеннами [Радиотехнические системы. Под ред. Ю.М. Казаринова. М.: Высшая школа, 1990. 496 с. С. 407]; λ=c/f0; Θ - угол между направлением на цель и нормалью к плоскости приемных антенн.
Принятые сигналы (2) и (3) усиливают и демодулируют путем их умножения на сигнал передатчика (1), в результате чего формируются сигналы, частота биений которых пропорциональна дальности до цели, а разность их фаз Δϕ определяется направлением прихода отраженного сигнала
где fRд=fR+fд; fR=2μR0/c, fд=2Vц/λ - дальностная и доплеровская частота соответственно; μ2=4μVц/с - крутизна (скорость изменения частоты) дополнительной (вторичной) ЛЧМ; Vц и R0=Rц(0) - радиальная скорость и дальность до цели соответственно.
При движении цели частота сигналов 
и 
изменяется пропорционально изменению дальности до нее, что обусловливает появление дополнительной ЛЧМ в демодулированных сигналах обоих приемных каналов, крутизна μ2 которой пропорциональна радиальной скорости цели. Вычисление скорости цели осуществляют путем оценки крутизны дополнительной ЛЧМ μ2 сигнала 
. Для этого формируют набор опорных сигналов 
с различными значениями крутизны ЛЧМ μn∈[μmin,μmax], где n=0…N-1, μmin=4μVцmin/с и μmax=4μVцmax/с - границы априорного интервала значений параметра μ2, определяемые минимальной Vцmin и максимальной Vцmax радиальными скоростями целей; N≥|μmax-μmin|/σ; σ - точность оценки параметра μ2, определяемой, исходя из точности оценки радиальной скорости цели. Затем каждый сигнал из набора перемножают с сигналом 
, вычисляют комплексные спектры полученных результатов перемножений и находят номер спектра nc, содержащего спектральную составляющую с максимальной амплитудой (т.е. номер спектра со скомпенсированной дополнительной ЛЧМ), и значение частоты fRд этой спектральной составляющей (фигура 2,в), т.е.
где 
; 
- оператор преобразования Фурье по переменной tм.
По найденному значению nc вычисляют оценку радиальной скорости цели и дальности
где 
; 
- смещение по дальности, обусловленное доплеровским частотным сдвигом; 
.
Для определения углового положения цели осуществляют вычисление разности фаз Δϕ=ϕ1-ϕ2 принимаемых колебаний в первом и втором приемных каналах. Значение фазы принимаемого колебания ϕ1 в первом приемном канале соответствует фазе спектральной составляющей с частотой fRд в спектре с номером nc, т.е.
Для определения фазы принимаемого колебания ϕ2 во втором приемном канале осуществляют компенсацию дополнительной ЛЧМ. Для этого сигнал 
перемножают с опорным сигналом 
, вычисляют спектр полученного колебания и находят значение фазы спектральной составляющей на частоте fRд, т.е.
где 
.
На основе вычисленного Δϕ определяют угловое положение цели в соответствии с выражением Θ=arcsin (Δϕλ/(2πd)).
Таким образом, в предложенном способе определения координат цели в РЛС с непрерывным излучением в отличие от аналога и прототипа осуществляется дополнительное определение углового положения цели, что улучшает точность определения ее пространственного положения.
На фигуре 1 представлена структурная схема устройства для осуществления способа определения координат цели в РЛС с непрерывным излучением.
Устройство состоит из частотного модулятора 1, генератора высокой частоты 2, передающей антенны 3, первой приемной антенны 4.1, второй приемной антенны 4.2, первого умножителя сигналов 5.1, второго умножителя сигналов 5.2, первого усилителя низкой частоты 6.1, второго усилителя низкой частоты 6.2, первого запоминающего устройства 7.1, второго запоминающего устройства 7.2, банка опорных сигналов 8, первого устройства перемножения сигналов 9.1, второго устройства перемножения сигналов 9.2, первого анализатора спектра 10.1, второго анализатора спектра 10.2, вычислителя 11, вычислителя углового положения цели 12, устройства вывода 13 и устройства синхронизации 14.
Представленный на фигуре 1 вариант устройства, реализующего предлагаемый способ определения координат цели в РЛС с непрерывным излучением, функционирует следующим образом. Частотный модулятор 1 в начале каждого периода модуляции зондирующего сигнала по сигналу устройства синхронизации 14 формирует ЛЧМ сигнал, который после переноса на высокую частоту генератором высокой частоты 2 излучается в пространство передающей антенной 3. Приемные антенны 4.1 и 4.2 принимают отраженные от цели сигналы, которые поступают на первые входы умножителей 5.1 и 5.2, где демодулируются путем умножения на зондирующий сигнал с выхода генератора высокой частоты 2, после чего усиливаются усилителями низкой частоты 6.1 и 6.2 и запоминаются в запоминающих устройствах 7.1 и 7.2. В банке опорных сигналов 8 хранится предварительно сформированный набор опорных сигналов с различными значениями крутизны ЛЧМ. По окончанию периода модуляции устройство синхронизации 14 выдает сигнал, по которому запоминающее устройство 7.1 выдает запомненный сигнал, а банк опорных сигналов 8 - набор опорных сигналов на первое устройство перемножения сигналов 9.1, в котором осуществляется перемножение запомненного сигнала с опорными. Набор результатов перемножения с выхода первого устройства перемножения сигналов 9.1 через первый анализатор спектра 10.1 поступает на вычислитель 11, где производится поиск частотной составляющей с максимальной амплитудой, определение ее частоты fRд, фазы ϕ1, номера nc, характеризующего принадлежность частотной составляющей к конкретному опорному сигналу из набора, с последующим вычислением по найденным значениям fRд и nc дальности 
и скорости 
цели по выражениям (7) и (8), аналогично тому, как это делается в способе-прототипе. Значения 
и 
передаются на устройство вывода 13, а значение nc - на банк опорных сигналов 8, который выдает опорный сигнал с номером nc на второе устройство перемножения сигналов 9.2. Значение фазы ϕ1 с вычислителя 11 поступает на вычислитель углового положения цели 12. Одновременно с этим запоминающее устройство 7.2 выдает запомненный сигнал на второе устройство перемножения сигналов 9.2, где осуществляется компенсация дополнительной ЛЧМ демодулированного сигнала второго канала путем его умножения на опорный сигнал. Во втором анализаторе спектра 10.2 осуществляется вычисление спектра полученного сигнала и вычисление фазы ϕ2 спектральной составляющей на частоте fRд, значение которой поступает с вычислителя 11. Значение фазы ϕ2 поступает на вычислитель углового положения цели 12, в котором по разнице значений ϕ1 и ϕ2 вычисляется угловое положение цели по выражению Θ=arcsin(Δϕλ/(2πd)). Вычисленное значение Θ поступает на устройство вывода 13, осуществляющего преобразование данных к виду, пригодному для дальнейшей обработки, и их передачу потребителю.
Вычислитель 11 и вычислитель углового положения цели 12 могут быть выполнены, например, на микропроцессорах типа [http://www.atmel.com/ru/devices/ATMEGA32.aspx].
Для пояснения физической сущности проводимых операций в заявляемом способе, на фигуре 2 приведены диаграммы сигналов. На этих диаграммах буквами «а…ж» обозначены:
а) сигнал на выходе первого умножителя сигналов 5.1;
б) сигнал на выходе второго умножителя сигналов 5.2;
в) спектры сигналов на выходе первого устройства перемножения сигналов 9.1;
г) амплитудный спектр сигнала с номером nc на выходе первого устройства перемножения сигналов 9.1;
д) фазовый спектр сигнала с номером nc на выходе первого устройства перемножения сигналов 9.1;
е) амплитудный спектр сигнала на выходе анализатора 10.2;
ж) фазовый спектр сигнала на выходе анализатора 10.2.
Способ определения координат цели в РЛС с непрерывным излучением, заключающийся в зондировании цели сигналом с линейной частотной модуляцией, приеме первой приемной антенной отраженного сигнала, демодуляции принятого сигнала, формировании набора опорных сигналов с различной крутизной линейной частотной модуляции, диапазон значений которой выбирается, исходя из априорного диапазона скоростей цели, а количество опорных сигналов - точностью определения ее скорости, перемножении каждого опорного сигнала с демодулированным сигналом, формировании набора спектров результатов перемножения, определении номера спектра nc и частоты fRд, соответствующих спектральной составляющей с максимальной амплитудой, вычислении по найденным nc и дальности и радиальной скорости цели, отличающийся тем, что дополнительно определяют значение фазы ϕ1 спектральной составляющей с максимальной амплитудой, принимают отраженный сигнал второй антенной, разнесенной в пространстве от первой на расстояние d, демодулируют принятый сигнал, компенсируют дополнительную ЛЧМ демодулированного сигнала, вычисляют его спектр, определяют значение фазы ϕ2 спектральной составляющей на частоте fRд, и по разности фаз ϕ1 и ϕ2 определяют угловую координату цели.
