РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01S13/95 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при определении параметров морской поверхности.

Средства (устройства и способы) измерения параметров морской поверхности известны. Смотри, например, способ измерения высоты морских волн, реализуемый с помощью когерентно-импульсного устройства (авт. св. СССР N 662888, кл. G 01 S 9/00).

Этот способ основан на измерении значений коэффициента вариации квадрата огибающей отраженного радиосигнала. Способ дает относительно точное определение высоты морских волн, однако он не позволяет полностью восстановить форму морской поверхности и его аппаратная реализация достаточно сложна.

Когерентно импульсный радиолокатор для реализации этого способа содержит дополнительно большое количество сложных блоков: когерентный гетеродин, фазовращатель, фазовые детекторы выделения синусной и косинусной квадратурных составляющих, блок выделения напряжения поправки и т.д.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ определения параметров морской поверхности, основанный на измерении параметров морской поверхности путем обработки оптических изображений морской поверхности в специальном бассейне со стеклянными стенками [1].

Наиболее близким по технической сущности устройством к предложенному является устройство для осуществления способа, которое содержит установленные на летательном аппарате приемопередающую антенну метрового диапазона, ось диаграммы направленности которой сориентирована вертикально вниз на морскую поверхность, передатчик и приемник с детектором огибающей на выходе, к которому подключено устройство записи сигнала, принятого при отражении от морской поверхности. По записи сигнала после обработки судят о соотношении между когерентной и некогерентной составляющей отраженного от морской поверхности сигнала, а далее по графику для используемой радиоволны определяют высоту морской волны.

Недостатком описанных способа и устройства является длительный процесс получения параметров морской поверхности.

Целью изобретения является ускорение процесса определения параметров морской поверхности.

Это достигается способом определения параметров морской поверхности, включающим определение параметров а и b трохоидальной, аппроксимации морской поверхности вертикальное излучение сверхвысокочастотных радиоимпульсов в сторону морской поверхности с летательного аппарата при полете вдоль линии главного бега морских волн на высоте L<λ_min/2γ, где λ_min - минимальная разрешаемая радиолокатором длина морской волны, γ - ширина диаграммы направленности антенны радиолокатора, измерение скорости V_ла и высоты полета летательного аппарата, мощности передатчика ρ_Σ и сигналов, отраженных от впадин ρ₁ и гребней ρ₂ морских волн, периода Т_с сигнала, отраженного от морской поверхности, и расчет параметров а и b по формулам: a = ; b = , где λ=T_c˙ V_ла
D - коэффициент направленного действия антенны радиолокатора;
λ - длина волны радиолокатора.

Предлагаемый способ использует описание формы морской поверхности трохоидальными волнами. Определение параметров а и b, характеризующих конкретную форму трохоидальных волн, оказывается возможным радиолокационным способом.

Действительно амплитуда рассеянного сигнала в случае идеально проводящей поверхности в дальней зоне вычисляется по формуле, которая при учете главного члена ассимтотического представления функции Грина может быть записана
= ∫∫e^2iky(ζ,η)dζd , (1) где - амплитуда падающей электромагнитной волны:
λ - длина радиоволны:
y(ζ, η) - высота морской поверхности в зависимости от ζ и η координат поверхности.

Тогда после элементарных преобразований для амплитуды напряженности электромагнитного поля, отраженного от поверхности с "блестящей" точкой (точкой стационарной фазы), получим:
= , (2) где σ_η - размер, разрешаемый ДН антенны на морской поверхности вдоль координаты η;
i= 1,2; причем i= 1 соответствует "блестящей" точке, находящейся во впадине морской волны, i=2 - на гребне.

При этом точка ζ_i определяется из уравнения
y_ζ^I(ζ_i) = 0 (3)
Подсчитав мощность Р, попадающую в приемник, и использовав уравнение трохоиды, получим следующие выражения для коэффициентов трохоиды:
a = , b =
(4) где ρ_Σ - мощность передатчика;
D - коэффициент направленного действия антенны радиолокатора;
λ - длина волны радиолокатора;
γ - ширина диаграммы направленности антенны радиолокатора;
L - высота полета летательного аппарата;
λ=T_c˙ V_ла (Т_с период сигнала; V_ла - скорость летательного аппарата).

При выбранной высоте полета летательного аппарата, обеспечивающей разрешение морских волн, отраженные от морской поверхности сигналы будут иметь периодический характер, отслеживающий периодичность следования морских волн с периодом Т_с.

При этом отражению от впадин и гребней морских волн будут соответствовать максимумы в записи сигналов. Поэтому при известной скорости летательного аппарата, много большей скорости движения морских волн, по отраженному сигналу может быть определен период сигнала Т_с, а следовательно, и длина морской волны.

Высота полета летательного аппарата выбирается, исходя из ширины диаграммы направленности антенны радиолокатора в вертикальной плоскости, проходящей через направление главного бега волн, а также из задаваемой минимальной разрешаемой радиолокатором длины морской волны
L < λ_min/2γ (5) где λ_min - минимальная разрешаемая радиолокатором длина волны. В предлагаемом устройстве, которое содержит установленные на летательном аппарате последовательно соединенные антенну, антенный переключатель, приемник и детектор огибающей, импульсный передатчик, выход которого подключен к второму входу антенного переключателя, первый индикатор и импульсный передатчик выполнен сверхвысокочастотным, введены последовательно соединенные первый элемент задержки, блок стробирования, второй элемент задержки, первый ключ, первый блок памяти и первый блок усреднения, выход которого подключен к входу первого индикатора, последовательно соединенные первый дифференцирующий блок, первый усилитель-ограничитель, второй дифференцирующий блок, второй усилитель-ограничитель и формирователь строб-импульса, выход которого подключен к управляющему входу блока стробирования, выход детектора огибающей подключен к входам первого элемента задержки и первого дифференцирующего блока, счетный триггер, вход которого подключен к выходу формирователя строб-импульса, последовательно соединенные второй ключ, вход которого подключен к выходу второго элемента задержки, второй блок памяти, второй блок усреднения и второй индикатор, последовательно соединенные третий дифференцирующий блок, третий усилитель-ограничитель, выход которого подключен к управляющему входу первого блока памяти, и измеритель периода сигнала, последовательно соединенные четвертый дифференцирующий блок и четвертый усилитель-ограничитель, выход которого подключен к управляющему входу второго блока памяти, прямой выход счетного триггера подключен к управляющему входу первого ключа и входу третьего дифференцирующего блока, а инверсный выход - к управляющему входу второго ключа и входу четвертого дифференцирующего блока, высотомер, измеритель скорости движения летательного аппарата, измеритель мощности, вход которого подключен к выходу импульсного передатчика, вычислитель параметров морской поверхности, соответствующие входы которого подключены к выходам измерителя периода сигнала, высотомера, первого и второго блока усреднения, измерителя скорости движения летательного аппарата и измерителя мощности.

Предлагаемое устройство построено на базе импульсной РЛС. Так как для достижения необходимого разрешения элементов морских волн требуются относительно малые высоты полета, то это накладывает ограничения на длительность зондирующих импульсов. Длительность зондирующих импульсов выбирается много меньшей периода морских волн.

На фиг. 1 приведен график, поясняющий предложенный способ; на фиг. 2 - структурная схема устройства для осуществления способа; на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Устройство для осуществления способа содержит установленные на летательном аппарате последовательно соединенные антенну 1, антенный переключатель 2, приемник 3 и детектор огибающей 4, импульсный передатчик 5, выход которого подключен к второму входу антенного переключателя, первый индикатор 6, причем импульсный выполнен сверхвысокочастот- ным, введены последовательно соединенные первый элемент задержки 7, блок стробирования 8, второй элемент задержки 9, первый ключ 10, первый блок памяти 11 и первый блок усреднения 12, выход которого подключен к входу первого индикатора, последовательно соединенные первый дифференцирующий блок 13, первый усилитель-ограничитель 14, второй дифференцирующий блок 15, второй усилитель-ограничитель 16 и формирователь строб-импульса 17, выход которого подключен к управляющему блоку стробирования, выход детектора огибающей подключен к входам первого элемента задержки и первого дифференцирующего блока, счетный триггер 18, вход которого подключен к выходу формирователя строб-импульса, последовательно соединенные второй ключ 19, вход которого подключен к выходу второго элемента задержки, второй блок памяти 20, второй блок усреднения 21 и второй индикатор 22, последовательно соединенные третий дифференцирующий блок 23, третий усилитель-ограничитель 24, выход которого подключен к управляющему входу первого блока памяти, и измеритель периода сигнала 25, последовательно соединенные четвертый дифференцирующий блок 26 и четвертый усилитель-ограничитель 27, выход которого подключен к управляющему входу второго блока памяти, прямой выход счетного триггера подключен к управляющему входу первого ключа и входу третьего дифференцирующего блока, а инверсный выход - к управляющему входу второго ключа и входу четвертого дифференцирующего блока, высотомер 28, измеритель скорости движения летательного аппарата 29, измеритель мощности 30, вход которого подключен к выходу импульсного передатчика, вычислитель параметров морской поверхности 31, соответствующие входы которого подключены к выходам измерителя периода сигнала, высотомера, первого и второго блоков усреднения, измерителя скорости движения летательного аппарата и измерителя мощности.

Радиолокационный способ определения параметров морской поверхности осуществляют следующим образом.

Летательный аппарат направляют вдоль направления главного бега волн, причем высоту полета L выбирают, исходя из условия
L< λ_min/2γ, (6) где λ_min - задаваемая минимальная разрешаемая радиолокатором длина морской волны;
γ - ширина диаграммы направленности антенны 1 радиолокатора
Зондирующие СВЧ-импульсы, вырабатываемые передатчиком 5, через антенный переключатель 2 подают на антенну 1, ось которой сориентирована перпендикулярно к морской поверхности (см. фиг. 1).

Отраженные от морской поверхности импульсы электромагнитной энергии принимают этой же антенной 1 и через антенный переключатель 2 подают на вход приемника 3 и далее на вход детектора огибающей 4. С выхода детектора огибающей 4 видеосигнал (см. временную диаграмму на фиг. 3, а) подают на вход первого элемента задержки 7 и на вход блока стробирования 8. Временная диаграмма напряжения на выходе первого элемента задержки 7 изображена на фиг. 3. Это напряжение дифференцируют (см. фиг. 3, б) с помощью дифференцирующей схемы 13, подвергают усилению и ограничению (см. фиг. 3, в) с помощью блока 14, опять дифференцируют (см. фиг. 3, г) с помощью второго дифференцирующего блока 15 и из полученной последовательности продифференцированных импульсов выделяют с помощью блока 16 импульсы отрицательной полярности (см. фиг. 3, д), которые используют для запуска формирователя строб-импульса. Прямоугольные импульсы на выходе блока 17 (см. фиг. 3, е) имеют длительность, равную удвоенному времени задержки сигнала в блоке 7, причем середина каждого стробирующего импульса соответствует моменту времени, когда сигнал на выходе элемента задержки 7 достигает максимального значения. Прямоугольные импульсы с выхода блока 17 подают на управляющий вход стробирующего каскада 8.

Амплитуды импульсов на выходе блока 8 (см. фиг. 3, з) соответствуют максимальным значениям сигнала на выходе элемента задержки 7.

Кроме того, импульсы с выхода формирователя 17 строб-импульса подают на вход триггера 18, на первом и втором выходах которого получают импульсы (см. фиг. 3 к, л), с помощью которых управляют работой первого ключа 10 и второго ключа 19. Импульсы с выхода блока стробирования 13 подают на второй элемент задержки 9, с помощью которого задерживают импульсы на время, требуемое для обеспечения работы блоков 11 и 20.

Сигналы с выхода второго элемента задержки 9 (см. фиг. 3, и) подают на сигнальные входы ключей 10 и 19, с помощью которых разделяют импульсы (см. фиг. 3м, н), соответствующие впадинам и гребням морских волн. С первого и второго выходов триггера 18 импульсы (см. фиг. 3, к, л) подают также на входы третьего и четвертого дифференцирующих блоков 23 и 26. Временные диаграммы импульсов на их выходах показаны на фиг. 3, о, п. Из этих последовательностей импульсов выделяют импульсы положительной полярности (см. фиг. 3, р, с) с помощью четвертого и третьего усилителей-ограничителей 27 и 24. С помощью схем 11 и 20 запоминают амплитуды импульсов на выходах ключей 10 и 19 на время, равное периоду морских волн (см. фиг. 3, т, у). Импульсы с выходов блоков 27 и 24 подают на управляющие входы схем 11 и 20 запоминания перед приходом очередного импульса соответствующего ключа. Эти импульсы служат для сброса напряжения на схемах 11 и 20 запоминания, причем эти импульсы опережают импульсы на выходах ключей 10 и 19 на время, равное времени задержки импульсов во втором элементе задержки 9.

С помощью блока 25 измеряют период сигнала, отраженного от морской поверхности, для чего на вход этого блока 25 подают сигналы с выхода третьего усилителя-ограничителя 24.

С выходов блоков 11 и 20 памяти сигналы подают на входы соответственно первого и второго усреднителей 12 и 21, с выходов которых снимают напряжения (см. фиг. 3 ф, х), пропорциональные средним значениям напряженностей электромагнитного поля, отраженного от гребней и впадин морских волн.

С помощью штатных высотомера 28 и измерителя 29 скорости формируют сигналы, соответствующие высоте полета и скорости летательного аппарата.

С помощью измерителя 30 мощности формируют сигнал, соответствующий усредненной импульсной мощности зондирующих импульсов. С выходов блоков 25, 28, 12, 21, 29 и 30 сигналы подают на вычислитель 31 параметров морской поверхности, с помощью которого реализуют вычислительную процедуру, задаваемую формулами (4).

Кроме того, с выходов усреднителей 12, 21 сигналы поступают и на первый, и на второй индикаторы 6 и 21, которые дают информацию о напряжениях на выходах блоков 12, 21 в форме, удобной для восприятия наблюдателем.

Показания этих индикаторов в сочетании с показаниями блоков 25, 28, 29 и 30 позволяют проконтролировать исходные данные для расчета параметров морской поверхности по формулам (4).

Предлагаемые способ определения параметров морской поверхности и устройство для его осуществления позволяют, по сравнению с прототипом ускорить процесс определения параметров морской поверхности.

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться при определении параметров морской поверхности. Способ определения параметров морской поверхности включает вертикальное излучение СВЧ-радиоимпульсов в сторону морской поверхности с летательного аппарата при поллете вдоль линии главного бега морских волн на высоте L < λ_min/2γ, где λ_min - минимальная разрешаемая радиолокатором длина морской волны, γ ширина диаграммы направленности антенны радиолокатора, измерение скорости V_ла и высоты полета летательного аппарата, мощности передатчика P_Σ и сигналов, отраженных от впадин r₁ и гребней ρ₂ морских волн, периода T_c сигнала, отраженного от морской поверхности, и расчет параметров трохоидальной аппроксимации морской поверхности по формулам: , , где λ = T_oV_ла , , D - коэффициент направленного действия антенны радиолокатора, λ - длина волны радиолокатора. Устройство для определения морской поверхности содержит антенну 1, антенный переключатель 2, приемник 3, детектор огибающей 4, импульсный передатчик 5, первый индикатор 6, первый элемент задержки 7, блок стробирования 8, второй элемент задержки 9, первый ключ 10, первый блок памяти 11, первый блок усреднения 12, первый дифференцирующий блок 13, первый усилитель-ограничитель 14, второй дифференцирующий блок 15, второй усилитель-ограничитель 16, формирователь строб-импульса 17, счетный триггер 18, второй ключ 19, второй блок памяти 20, второй блок усреднения 21, второй индикатор 22, третий дифференцирующий блок 23, третий усилитель-органичитель 24, измеритель периода сигнала 25, четвертый дифференцирующий блок 26, четверый усилитель-ограничитель 27, высотомер 28, измеритель скорости движения летательного аппарата 29, измеритель мощности 30, вычислитель параметров морской поверхности 31. 3 ил.

1. Радиолокационный способ определения параметров морской поверхности, включающий определение параметров a и b трохоидальной аппроксимации морской поверхности, отличающийся тем, что, с целью ускорения процесса определения параметров морской поверхности, вертикально излучают сверхвысокочастотные радиоимпульсы в сторону морской поверхности с летательного аппарата при полете вдоль линии главного бега морских волн на высоте
L < λ_min / 2γ ,
где λ_min - минимальная разрешаемая радиолокатором длина морской волны;
γ - ширина диаграммы направленности антенны радиолокатора, измеряют скорость v_ла и высоту полета летательного аппарата, мощности передатчика P_Σ и сигналов, отраженных от впадин P₁ и гребней R₂ морских волн, период T_с сигнала, отраженного от морской поверхности, и рассчитывают параметры a и b по формулам
a = ;
b = ,
где λ = T_c˙V_ЛА ;
D - коэффициент направленного действия антенны радиолокатора;
λ - длина волны радиолокатора. 2. Устройство для определения парамтеров морской поверхности, включающее установленные на летательном аппарате последовательно соединенные антенну, антенный переключатель, приемник и детектор огибающей, импульсный передатчик, выход которого подключен к второму входу антенного переключателя, первый индикатор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения параметров морской поверхности, импульсный передатчик выполнен сверхвысокочастотным, введены последовательно соединенные первый элемент задержки, блок стробирования, второй элемент задержки, первый ключ, первый блок памяти и первый блок усреднения, выход которого подключен к входу первого индикатора, последовательно соединенные первый дифференцирующий блок, первый усилитель-ограничитель, второй дифференцирующий блок, второй усилитель-ограничитель и формирователь строб-импульса, выход которого подключен к управляющему входу блока стробирования, выход детектора огибающей подключен к входам первого элемента задержки и первого дифференцирующего блока, счетный триггер, вход которого подключен к выходу формирователя строб-импульса, последовательно соединенные второй ключ, вход которого подключен к выходу второго элемента задержки, второй блок памяти, второй блок усреднения и второй индикатор, последовательно соединенные третий дифференцирующий блок, третий усилитель-ограничитель, выход которого подключен к управляющему входу первого блока памяти, и измеритель периода сигнала, последовательно соединенные четвертый дифференцирующий блок и четвертый усилитель-ограничитель, выход которого подключен к управляющему входу второго блока памяти, прямой выход счетного триггера подключен к управляющему входу первого ключа и входу третьего дифференцирующего блока, а инверсный выход - к управляющему входу второго ключа и входу четвертого дифференцирующего блока, высотомер, измеритель скорости движения летательного аппарата, измеритель мощности, вход которого подключен к выходу импульсного передатчика, вычислитель параметров морской поверхности, соответствующие входы которого подключены к выходам измерителя периода сигнала, высотомера, первого и второго блоков усреднения, измерителя скорости движения летательного аппарата и измерителя мощности.