СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА С ПОМОЩЬЮ ЛОКАТОРА Российский патент 1996 года по МПК G01S13/70 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в ближайшей локации.

В настоящее время в обеспечение потребностей транспорта (автомобильного и др.) остро стоит проблема создания радиолокаторов малых дальностей (0 100 м) с высокой угловой разрешающей способностью. Угловая разрешающая способность традиционной радиолокационной станции (РЛС) определяется шириной диаграммы направленности θ приемо-передающей антенны, которая, в свою очередь, определяется диаметром D и длиной волны l\ по формуле

Формула диаграммы направленности (без учета направленных свойств элементарной площадки) зависит от конфигурации антенны и закона изменения интенсивности возбуждения Е (Φ).

Повышение угловой (азимутальной) разрешающей способности требует пропорционального увеличения аппертуры антенны, что в ряде случаев недопустимо.

В 60-х годах (Д.Катрона и др. Радиолокационная станция с высокой разрешающей способностью для наблюдения за полем боя. Зарубежная радиоэлектроника, 1961, N 11) разработан способ синтезирования аппертуры антенны. Этот способ основан на когерентной обработке зондирующих и отраженных записных сигналов, в том числе доплеровского смещения частоты движущейся РЛС, по результатам которой достигается такой эффект, как если бы использовалась антенна с раскрывом, равным удвоенной длине пути, пройденному приемо-передатчиком (носителем) за время приема отраженных сигналов разведываемого объекта.

Этот способ синтезирования аппертуры антенн позволяет обеспечить угловую (азимутальную) разрешающую способность в десятки, сотни раз высокую, чем реальная ширина диаграммы направленности антенны РЛС. Он получил широкое распространение в самолетных и спутниковых РЛС бокового обзора для картографирования местности.

Основным недостатком этого способа является функциональная сложность РЛС бокового обзора (РЛС БО), а также сложность и длительность обработки (не в реальном масштабе времени), записанной в память сигнальной обстановки.

Эти качества ограничивают возможность широкого его использования в относительно простых и дешевых РЛС малой дальности.

Известен способ измерения расстояний, описываемой следующей совокупностью операций:
излучают зондирующий радиосигнал электромагнитной волны (ЭВМ) в сторону объекта, принимают отраженный от объекта сигнал ЭВМ;
измеряют величину запаздывания сигнала t_з в пространстве между локатором и объектом;
вычисляют дальность до объекта как отношение , где С_о - скорость ЭВМ [1]
Недостатком этого способа применительно к радиодиапазону является относительно низкая точность определения угловых координат объекта, т.к. его точность определяется шириной диаграммы направленности антенны.

Цель изобретения повышение точности измерения углового положения объекта локатором.

Для реализации этой цели предложен способ повышения точности измерения углового положения объекта локатором, основанным на зондирования, приеме и многократной циркуляции сигнала в пространстве между локатором и объектом.

Согласно изобретению зондирующий и отраженный сигналы умножают на коэффициенты передачи антенн передачи E_з(Φ) и прием E_пр(Φ) и суммируют между собой в течение циклов циркуляции до возбуждения автоколебаний, после чего усиление сигнала в локаторе уравнивают с затуханием сигнала в пространстве, а затем перестраивают антенны по углу на максимум сигнала и снова уравнивают усиление сигнала локатором и затухание в пространстве, после чего измеряют точное угловое положение объекта.

При когерентном суммировании обужение диаграммы направленности определяется как предел [E_з(Φ)•E_пр(Φ)]^N, а при некогерентном суммировании как предел .

На фиг.1 приведены процесс обужения диаграммы направленности; на фиг.2 - диаграмма, объясняющая необходимость постройки антенны и уравнивания усиления локатора и затухания в пространстве; на фиг.3 теоретическая модель системы с запаздывающей обратной связью (ЗОС); на фиг.4 амплитудная характеристика усилителя локатора; на фиг.5 схема устройства локатора по предложенному способу; на фиг.6 теоретическая модель рециркулятора радиоимпульсов с ЗОС.

Предлагаемый способ содержит следующие операции над сигналом:
зондируют (излучают);
принимают отраженный сигнал;
многократно циркулирует радиосигнал между локатором и объектом;
зондирующий и отраженный сигнал умножают на коэффициенты передачи антенн передачи E_з(Φ) и приема в течение N циклов циркуляции;
суммируют эти перемноженные сигналы в течение N циклов циркуляции до возбуждения автоколебаний с автомодуляцией;
уравнивают усиление сигнала в локаторе с затуханием сигнала в пространстве;
подстраивают по углу антенну на максимум сигнала;
снова уравнивают усиление локатора с затуханием сигнала в пространстве;
измеряют (фиксируют) точное угловое положение объекта.

Теоретическая модель предложения, объясняющей процесс многократной циркуляции радиосигнала, приведена на фиг.3 и отличается от прототипа отсутствием входного радиосигнала и наличием ограничителя.

В предложении радиосигналом служат собственные шумы усилителя, которые усиливают, излучают в пространство, принимают отраженный сигнал, суммируют его снова с собственными шумами усилителя и т.д. многократно циркулируют между локатором и объектом. При превышении усиления сигнала над затуханием его в свободном пространстве, т.е. при коэффициенте обратной связи К_ос>1 происходит возбуждение автоколебаний. В работах, посвященных вопросу установления автоколебаний в системах с ЗОС доказано, что в них возбуждаются автоколебания на ряде собственных частот, эквидистантно расположенных через , которую можно трактовать как автомодуляция несущей. Выделив частоту автомодуляции f_a нетрудно вычислить τ_з и дальность до объекта.

Это первое отличие предложения от прототипа, когда без создания короткого циркулирующего импульса и связанного с этим усложнения локатора можно измерить дальность до объекта.

Эта часть предложения повышает потребительские характеристики предлагаемого способа в части измерения дальности (простота реализации из-за отсутствия задающего радиоимпульса и постоянной задержки, а также точность измерения) в сравнении с прототипом.

Другая цель изобретения повышение угловой точности измерения.

Возможность такого повышения обосновывается тем, что в ходе многократной (N-кратной) циркуляции собственных шумов и их нарастания на линейном участке амплитудной характеристики (фиг. 4) до момента возбуждения автоколебаний с автомодуляцией сигнал N раз излучается и принимается передающей и приемной антеннами, имеющими нормированные диаграммы направленности (коэффициенты передачи) E_з(Φ) и и на которые перемножается начальный сигнал например, собственные шумы усилителя локатора. За N циклов циркуляции, как это видно на фиг. 1, осуществляется 2N перемножений коэффициентов передачи антенн, в результате чего происходит циклическое обужение суммарной диаграммы направленности локатора.

Это обужение можно трактовать, как искусственное синтезирование более узкой диаграммы направленности.

Операция суммирования зондирующего и принятого сигналов в каждом цикле циркуляции кроме основной цели обужения диаграммы преследует таже цель создания условий для извлечения информации о дальности не в режиме рециркуляции на линейном участке амплитудной характеристики, где это не выгодно из-за малого времени циркуляции, а в режиме автогенерации (участок А-В фиг.4).

В системах с ЗОС с суммированием в каждом цикле циркуляций задержанного и незадержанного сигналов при достижении порога ограничения усилителя образуются сложные автоколебания с самопроизвольной фазовой модуляцией (автомодуляцией) с частотой , извлечь из которого информацию о τ_з представляет существенно меньше трудности, причем этот процесс не ограничивается временем.

При этом предельные значения обужения зависят от используемого в локаторе способа суммирования принятого и зондирующего сигналов.

При когерентном суммировании, когда имеется детерминированный и зондирующий сигнал, например, задающий импульсный сигнал можно ожидать, что величина обужения будет стремиться к величине

При некогерентном суммировании, когда циркулируют собственные шумы усилителя локатора величина обужения будет стремиться к величине

Все отмеченное обужение происходит в течение ограниченного числа циклов циркуляции N_o≈20 при нарастании сигнала на линейном участке амплитудной характеристики (фиг.4б) до возбуждения автоколебаний.

Для простоты доказательства примем, что E_з(Φ)=E_пр(Φ)= E(Φ) имеем дело с опорной приемопередающей антенной прямоугольной конфигурации с равномерным законом изменения интенсивности возбуждения, т.е. , тогда при N_o≈20 синтезированная диаграмма направленности локатора может быть записана выражением
a) при когерентном суммировании

б) при некогерентном суммировании

Из приведенного следует, что при циркуляции собственных шумов до момента возбуждения автоколебаний (некогерентное суммирование) следует ожидать сужение диаграммы направленности примерно на порядок.

Реально следует ожидать несколько меньше величины из-за флуктуации усиления сигнала локатора и других мешающих факторов.

Представим, что в реальную диаграмму E(Φ) попадают два объекта А и Б, причем второй попадает и ее максимум (фиг.1а). В этом случае объект А, попадающий на скат диаграммы направленности E(Φ)<1 от цикла к циклу уменьшается в уровне и выпадает из синтезируемой диаграммы направленности , в то время как объект Б остается в ней, т.к. находится в максимуме диаграммы направленности.

Это разрешение положительно усугубляется тем фактом, что автогенерация возникает предпочтительно в максимуме огибающей характеристики, например, выше уровень амплитудно-частотной характеристики или в данном случае уровень амплитудно-пространственной характеристики.

Наилучшие результаты обужения достигаются, когда усиление локатора приближают к затуханию сигнала в пространстве, т.к. когда коэффициент обратной связи системы с ЗОС, представляющей гребенчатый фильтр, стремится к единице
К_ос --> 1.

В этом случае число N циркуляции максимально и стремится к ∞ и следует ожидать наилучших результатов обужения (синтезирования) диаграммы направленности.

На фиг. 1 приведен случай, когда один из объектов находится в максимуме диаграммы направленности. Реально следует ожидать, что оба объекта находятся не в максимуме и К_ос≥1 (фиг.2).

В этом случае возникает автогенерация через объект, находящийся ближе к центру диаграммы направленности, после чего приближают К_ос --> 1, т.е. уменьшают усилие усилителя РЛС и подстраивают антенну по углу до максимума сигнала, а затем повторно приближают К_ос --> 1 и т.д. если в результате отмеченной итерации не сорваны и находятся на грани срыва автоколебания, то это означает, что центр физической диаграммы направленности наведен на разрешаемый объект, причем угловые координаты разрешения (точность разрешения) соответствует приведенным выше значениям обужения.

Следует также отметить, что процесс обужения (синтезирования) диаграммы направленности последовательно охватывают несколько этапов (режимов) работы системы с ЗОС.

1. Режим автогенерации (операции: зондируют, принимают, многократно циркулируют, перемножают, суммируют, возбуждают автоколебания с автомодуляцией).

2. Режим на грани рециркуляции и автогенерации (точка А фиг.4) (К_ос --> 1) (операции уравнивают подстраивают, уравнивают, измеряют).

Радиолокатор с повышенной угловой разрешающей способностью по предлагаемому способу (фиг.5) содержит усилитель СВЧ-1 с подключенным последовательно с ним электронно или вручную управляемым ослабителем сигнала (аттенюатором) 4, которые в свою очередь подключены к передающей 3 и приемной антенне 2.

К выходу усилителя 1 подключены последовательно детектор 5, фильтр частоты автомодуляции 6, частотомер 7. Антенны 3 и 2 могут поворачиваться (подстpаиваться) электромеханически или вручную приводом поворота по углу приводом 8.

Радиолокатор работает следующим образом.

При наличии в диаграмме направленности отражающего объекта и К_ос>1 радиолокатор по цепи приемная антенна 2, аттенюатор 4, усилитель 1, передающая антенна 3 возбуждается от собственных шумов через внешнюю обратную связь (РЛС объект РЛС), а образуемый при этом на выходе усилителя 1 сигнал автогенерации промодулирован по частотной автомодуляции , которая детектируется детектором 5, выделяется фильтром 6 и измеряется частотомером 7. Для повышения углового разрешения уменьшают аттенюатором 4 усиления радиолокатора, а затем приводом 8 поворачивают антенны 2, 3 на максимум сигнала и снова уменьшают уровень усиления аттенюатором 4, пока ось диаграммы направленности не совпадает с направлением на объект.

Дальнейшее малейшее изменение вправо или влево угла приводит к срыву автогенерации. При достижении этого положения измеряют точное угловое направление на объект.

В сравнении с прототипом предлагаемый способ обладает следующими технико-экономическими преимуществами:
имеет примерно на порядок более высокую точность измерения углового положения объектов, отражающих зондирующий сигнал;
позволяет повысить на 2-3 порядка точность измерения дальности за счет использования большей длительности измерения на участке автогенерации;
позволяет реализовать существенно более простые локаторы малых дальностей при более высоких технических параметрах по разрешающей способности и точности измерения дальности за счет отсутствия необходимости формирования зондирующего импульсного сигнала ультракороткой длительности (н.с.) и использования в локаторе линий задержки постоянной длительности. ЫЫЫ2 ЫЫЫ4

Использование: радиолокация для измерения положения объектов с помощью локации. Сущность изобретения: способ повышения точности измерения углового положения объекта с помощью локатора, основанный на зондировании, приеме и многократной циркуляции сигнала в пространстве между локатором и объектом. Зондирующий и отраженные сигналы умножают на коэффициенты передачи антенн зондирования E_з(Φ) и приема E_пр(Φ) и суммируют между собой в течении N циклов циркуляции до возбуждения автоколебаний, после чего усиление сигнала в локаторе уравнивают с затуханием сигнала в пространстве, а затем перестраивают антенны по углу на максимум сигнала и снова уравнивают усиление локатором и затухание в пространстве, после чего измеряют угловое положение объекта. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ измерения углового положения объекта с помощью локатора, заключающийся в том, что зондируют, принимают и многократно циркулируют сигнал в пространстве между локатором и объектом, отличающийся тем, что зондирующий и отраженный сигнал перемножают на коэффициенты передачи передающей E_З(E₃(Φ)) и приемной E_пр(E_пр(Φ) антенн, суммируют между собой зондирующий и принятый сигналы в течение N циклов циркуляции до возбуждения автоколебаний, после этого усиление сигнала в локаторе уравнивают с его затуханием в свободном пространстве, а затем подстраивают антенны по угловому положению на максимум сигнала и снова уравнивают усиление сигнала в локаторе и затухание его в пространстве, после чего измеряют угловое положение объекта. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при некогерентном суммировании зондирующего и отраженного сигналов, точность измерения углового положения объекта определяют как предел

3. Способ по п. 1, отличающийся том, что при когерентном суммировании зондирующего и отраженного сигналов точность измерения углового положения объекта определяется как предел