СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ В СИСТЕМАХ СО СВЕРХСКАНИРОВАНИЕМ Российский патент 1997 года по МПК G01S13/44 

Изобретение относится к радиолокации и радионавигации и может быть использовано для измерения угловых координат (УК) объектов в системах со сверхсканированием (Гинзбург В.М. Формирование и обработка изображений в реальном времени. Методы быстрого сканирования. М. Радио и связь, 1986).

Известен способ фазового измерения УК (Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. Учебник для вузов. М. Радио и связь, 1983, с. 424), заключающийся в измерении разности фаз ΔΦ сигналов, принимаемых в точках, разнесенных на расстояние базы b_x
Dv=(2π/λ)×b_xcosα.
Точность данного способа зависит от длины базы b_x, поэтому данный способ принципиально не позволяют измерять УК в одной точке приема.

Известен амплитудный способ приема УК (Теоретические основы радиолокации. / Под ред. В.В.Дулевича. Учебник для вузов. М. Сов. радио, 1978, с. 260-261), заключающийся в сканировании диаграммы направленности антенны (ДНА) с угловой скоростью Ω, приеме отраженного от цели сигнала и определении положения сканирующей ДНА в момент максимума огибающей амплитуд сигнала, что отождествляется с направлением на цель. Однако данный способ имеет низкую точность измерения УК ДНА из-за слабого изменения амплитуды сигнала в окрестности максимума ДНА.

В известных системах со скрытым сверхсканированием (Коростелев А.А. Пространственно-временная теория систем. Методическое пособие для вузов. М. Радио и связь, 1987, с. 96-97) используется цифровой способ приема УК. При цифровом способе промежуток времени между началом периода сканирования и коротким импульсом на выходе заполняется счетными импульсами. Показания счетчика импульсов пропорциональны направляющему косинусу U_Q:
U_Q=cosθ=λt₃/bτ_пр,
где b линейный размер антенной решетки в плоскости сканирования;
λ длина волны;
t₃ момент окончания принятого сигнала, относительно начала сканирования ДНА на прием;
t_пр длительность импульса при приеме.

Однако данный способ имеет низкую точность измерения УК из-за систематической погрешности измерения, заключающейся в учете местоположения лоцируемой цели внутри формируемого "слоя видимости" (СВ) и различия законов сканирования при излучении и приеме. Недостатком, исключающим возможность рассмотрения данного способа как прототипа, является то, что он использует только линейный закон сканирования ДНА.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является амплитудный способ измерения УК посредством сравнения огибающих амплитуд принимаемого сигнала (Теоретические основы радиолокации. / Под ред. В. В. Дулевича. Учебник для вузов. М. Сов. радио, 1978, с.260-262), заключающийся в излучении импульсного сигнала при сканировании диаграммы направленности антенны в некотором угловом секторе (θ_н, θ_н+θ_обз), сканировании диаграммы направленности антенны в этом же угловом секторе (θ_н, θ_н+θ_обз) при приеме отраженного от цели сигнала и определении направления на цель (θ_ц) согласно выражению:
θ_ц=(θ₁+θ₂)/2,
где θ₁ угловое положение ДНА в момент начала приема отраженного от цели сигнала;
θ₂ угловое положение ДНА в момент окончания приема отраженного от цели сигнала;
Однако данный способ имеет низкую точность измерения УК в случае сверхсканирования ДНА.

Изобретение направлено на решение задачи повышения точности измерения УК целей за счет дополнительного измерения момента времени t₃, соответствующего пропаданию отраженного от цели сигнала относительно начала сканирования антенны на прием, а определение направления на цель для априорно известных временных законов сканирования антенны при излучении t_изл(θ) и приеме t_пр(θ) сигнала осуществляют путем решения следующего уравнения:
;
θ_пр(t) функция, обратная закону сканирования t_пр(θ):
θ_пр(t_пр(θ))=θ;
θ_o ширина диаграммы направленности антенны по заданному пороговому уровню.

Решение этой задачи наиболее актуально при создании (разработке) новых систем радиолокации и радионавигации (Коростелев А.А. Пространственно-временная теория систем: Методическое пособие для вузов. М. Радио и связь, 1987, с.96-97).

Сущность изобретения состоит в том, что от известного способа измерения УК, заключающегося в излучении импульсного сигнала при сканировании ДНА в некотором угловом секторе (θ_н, θ_н+θ_обз), сканировании ДНА при приеме, приеме отраженного от цели сигнала и определении направления на цель, предлагаемый способ измерения отличается тем, что дополнительно измеряют момент времени t₃, соответствующий пропаданию отраженного от цели сигнала относительно начала сканирования антенны на прием, а определение направления на цель для априорно известных временных законов сканирования антенны при излучении t_изл(θ) и приеме t_пр(θ) сигнала осуществляют путем решения следующего уравнения:

θ_пр(t) функция, обратная закону сканирования t_пр(θ)::
θ_пр(t_пр(θ)=θ;
θ_o ширина диаграммы направленности антенны по заданному пороговому уровню.

Сущность способа поясняется фиг.1-4, где соответственно изображены:
распределение по дальности формируемого при излучении импульса τ_изл(θ) и "строба" по дальности τ_пр(θ) при приеме в секторе сканирования θ ∈ (θ_н, θ_н+θ_обз) (фиг.1);
временная диаграмма процесса измерений (фиг.2);
блок-схема системы, реализующей предлагаемый способ измерения УК (фиг.3);
пример распределения систематической погрешности измерения УК способом-прототипом в угловом секторе сканирования, устраняемой предлагаемым способом (фиг.4).

Сущность способа заключается в следующем.

ДНА сканирует по закону θ_изл(t) и за время длительности излучаемого импульса τ_изл поворачивается в секторе обзора (θ_н, θ_н+θ_обз). Через определенный промежуток времени τ_пп в том же секторе начинает сканировать ДНА по закону θ_пр(t) для приема отраженного от цели сигнала. За время разворота ДНА при приеме τ_пр луч поворачивается с направления θ_н до направления (θ_н+θ_обз) (фиг. 1,2). Во время сканирования на прием с направления θ_ц принимается отраженный от цели сигнал (фиг.2), длительность которого τ_s определяется как временем разворота ДНА относительно этого направления θ_ц на угол, равный ширине ДНА τ_s=t_пр(θ_ц+θ_o/2)-t_пр(θ_ц-θ_o/2), так и положением цели внутри образованного СВ (фиг.1).

Из фиг.1 и 2 видно, что момент времени окончания приема с направления θ_ц соответствует окончанию действия отраженного сигнала от цели в направлении θ_ц, равен:
t_пр(θ_ц+θ_o/2)=t₃, (2)
т.к. временной закон сканирования t_пр(θ) является функцией, обратной закону сканирования θ_пр(t) при приеме, то направление на цель определяется по формуле:
θ_ц=θ_пр(t₃)-θ_o/2. (3)
Различие законов сканирования ДНА при излучении θ_изл(t) и приеме θ_пр(t) эквивалентно различию длительностей τ_изл(θ) излученного в направлении θ_ц импульса:
τ_изл(θ_ц)=t_изл(θ_ц+θ_o/2)-t_изл(θ_ц-θ_o/2) (4)

Поэтому для однозначной "привязки" к моменту времени окончания, формируемого в направлении θ_ц "строба", необходимо проверить выполнение одного из неравенств:

где x показывает отличие длительности формируемого в направлении θ_ц "строба" от длительности излученного в данном направлении θ_ц сигнала, что определяет ширину СВ в данном направлении, а направление на цель θ_ц можно однозначно определить из выражения:
θ_ц=θ_пр(t₃+U_-(x))-θ_o/2, (7)
которое решается в два этапа. На первом определяют значение асимметричной функции U_ (х), а на втором направление на цель θ_ц в соответствии с уравнением (7) (при условии x≥0) или в соответствии с уравнением (3) (при x<0).

В традиционном подходе (способе-прототипе) направление на цель по методу "вилки" определяют согласно выражению:

Т. е. предлагаемый способ позволяет повысить точность определения УК за счет учета расположения цели внутри образованного СВ и учета различия законов сканирования ДНА на излучение θ_изл(t) и при приеме θ_пр(t).

Повышение точности измерения УК можно определить из выражения для абсолютной погрешности измерения:
.

Определение УК θ_ц согласно (7) позволяет по сравнению со способом-прототипом устранить систематическую ошибку измерения Δθ:

вызванную методическими погрешностями измерения: Δθ₁, возникающей из-за неучета местоположения цели по дальности ΔD (фиг.1) внутри формируемого СВ:

а также из-за неучета различных законов сканирования при излучении θ_изл(t) и приеме θ_пр(t) сигналов Δθ₂:
Δθ₂=θ_пр(t₃+U_-(x))-θ_пр(t₃). (12)
Пример 1. При линейном законе сканирования ДНА на излучении сигнала
θ_изл(t)=θ_обзt/τ_изл+θ_н, (13)
и квадратичном законе сканирования луча антенны при приеме отраженного сигнала
θ_пр(t)=(θ_обзt/τ_пр)²+θ_н, (14)
в случае равенства времен сканирования луча антенны в секторе обзора на излучение τ_изл и прием τ_пр
τ_обз=τ_изл=τ_пр, θ_н=0, (15)
методическая ошибка измерения τθ₁ будет равна:

Согласно примеру распределение методической ошибки Δθ₁/θ_обз в секторе сканирования [0,θ_обз] приведено в табл. 1 и на фиг. 4 для случая θ_o/θ_обз=0,1.

Пример 2. Для условий примера 1 (13)^oC(15) при θ_o/θ_обз=0,1 методическая ошибка Δθ₂ будет равна:
Δθ₂=θ_обзU_-(x)(2t₃+U_-(x))/τ_обз, (17)
а систематическая погрешность Δθ равна:

В условиях данного примера распределение величин Δθ₂/θ_обз и Δθ/θ_обз приведено в табл. 2 и на фиг.2.

Система, реализующая предлагаемый способ измерения УК для систем со сверхсканированием, состоит из антенны 1, системы управления антенной 2 (СУА), антенного переключателя 3 (АП), передатчика 4 (ПРД), приемника 5 (ПРМ), устройства формирования импульса окончания счета 6 (УФИОС), триггера 7 (ТР), измерителя временного интервала 8 (ИВИ), микропроцессора 9 (МП), синхрогенератора 10 (СНХР) и счетчика-делителя на два 11 (СД), причем информационный вход антенны 1 подключен к выходу АП 3, первый вход АП 3 соединен с входом приемника 5, выход приемника подключен к входу УФИОС 6, выход УФИОС 6 соединен с входом установки в нулевое состояние ТР 7, выход триггера 7 подключен к входу ИВИ 8, выход ИВИ 8 соединен с входом МП 9, выход МП 9 является выходом устройства, пусковой вход устройства соединен с входом начальной установки триггера 7 и входом запуска синхрогенератора 10, выход СНХР 10 подключен к синхровходам АП 3 и СУА 2 и к входу СД 11, выход СД 11 подключен к входу установки в единичное состояние ТР 7, выход передатчика 4 соединен с вторым входом АП 3, выход СУА 2 соединен с управляющим входом антенны 1.

Система, реализующая данный способ (фиг.3), работает следующим образом.

Пусковой импульс на пусковом входе устройства переводит триггер 7 в начальное состояние и запускает синхрогенератор 10. В начальном состоянии на входе триггера 7 должен быть нулевой потенциал. По первому импульсу с синхрогенератора 10 антенный переключатель 3 подключает выход передатчика 4 к входу антенны 1, а система управления антенной (Ушкар М.Н. Микропроцессорные устройства в радиоэлектронной аппаратуре. / Под ред. В.Ф.Высоцкого. М. Радио и связь, 1988, с. 128) обеспечивает сканирование луча антенны 1 за время длительности импульса передатчика 4 в заданном секторе (θ_н, θ_н+θ_обз) по закону θ_изл(t). Этот же первый импульс с выхода синхрогенератора 10 поступает на вход счетчика 11. После окончания действия импульса передатчика 4 СУА 2 переводит луч антенны 1 в начальное направление θ_н. По второму импульсу синхрогенератора 10 антенный переключатель 3 подключает выход антенны 1 к входу приемника 5, а система управления антенной 2 обеспечивает сканирование луча антенны 1 за время "строба" (фиг.2) в секторе обзора (θ_н, θ_н+θ_обз) по закону θ_пр(t) Этот же второй синхрогенератора 10 поступает на вход СД 11, на выходе которого появляется сигнал. Сигнал с выхода счетчика 11 поступает на вход установки триггера 7 в единичное состояние, в результате чего на выходе триггера 7 появится высокий потенциал, который подается на вход измерителя временного интервала 8, работающий, например, по методу счетных импульсов (Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. Учебник для вузов. М. Радио и связь, 1983, с. 536), начинает измерение. Отраженный от цели радиосигнал (фиг.1) принимается антенной 1 и через антенный АП 3 поступает на вход приемника 5. С выхода приемника 5 видеоимпульс поступает на вход УФИОС 6. УФИОС 6, например одновибратор, (Исаков Ю.А. и др. Основы промышленной электроники. Киев: Техника, 1976, с. 544) формирует импульс, фронт которого соответствует времени спада видеоимпульса с выхода приемника 5.

Импульс с выхода УФИОС 6 поступает на вход установки триггера 7 в нулевое состояние, на выходе которого в результате этого появится нулевой потенциал. Нулевой потенциал с выхода триггера 7 поступает на вход ИВИ 8, что соответствует моменту окончания измерения. Результат измерения (например, код) с выхода ИВИ 8 поступает на вход МП 9 (Казаринов Ю.М. Номоконов В.Н. Филлипов Ф.В. Применение микропроцессоров и микроЭВМ в радиотехнических системах. Учебное пособие для радиотехнических спец.вузов. М. Высшая школа, 1988. с. 207), который вычисляет направление на цель в два этапа. На первом этапе вычисляет значение асимметричной функции U_(x), а на втором этапе - направление на цель θ_ц в соответствии с уравнением:
θ_ц=θ_пр(t₃+U_-(x))-θ_o/2,
при условии x = τ_пр(θ_ц)-τ_изл(θ_ц) ≥ 0,
где t₃ код промежутка времени между началом сканирования луча антенны на прием и окончанием действия принятого отраженного сигнала, который подается на вход МП 9 с выхода ИВИ 8;
x код промежутка времени, получаемый в результате сравнения длительности формируемого в направлении θ_ц строба и длительности излученного в данном направлении θ_ц сигнала.

Если x<0, тогда направление на цель θ_ц вычисляется по формуле:
θ_ц=θ_пр(t₃)-θ_o/2.
По сравнению с прототипом предлагаемый способ измерения УК для систем со сверхсканированием позволяет повысить точность измерения на величину:
Δθ_ц=[θ_пр(t₃)+θ_пр(t₃-τ_s)-2θ_пр(t₃+U_-(x))θ_o]/2,
где θ_o ширина ДНА; t₃ момент времени между началом сканирования ДНА при приеме и окончанием действия принятого отраженного от цели сигнала; τ_s длительность принятого импульса; θ_пр(t) закон сканирования ДНА при приеме.

Изобретение относится к области радиолокации и радионавигации и может быть использовано для измерения угловых координат объектов в системах со сверхсканированием. Сущность способа состоит в повышении точности измерения угловых координат объекта за счет дополнительного измерения момента времени t₃, соответствующего пропаданию отраженного от цели сигнала относительно начала сканирования антенны на прием, и определения направления на цель для априорно известных временных законов сканирования антенны при излучении t_изл(θ) и приеме t_пр(θ) сигналов согласно выражению:
;
θ_пр(t) - функция, обратная временному закону сканирования t_пр(θ):
θ_пр(t_пр(θ))=θ;
θ_o - ширина диаграммы направленности антенны по заданному пороговому уровню. 2 табл., 4 ил.

Способ измерения угловых координат в системах со сверхсканированием, заключающийся в излучении импульсного сигнала при сканировании диаграммы направленности антенны в некотором угловом секторе (θ_н, θ_н+θ_обз), сканировании диаграммы направленности антенны в этом же угловом секторе (θ_н, θ_н+θ_обз) при приеме отраженного от цепи сигнала и определении направления на цель (θ_ц), отличающийся тем, что дополнительно измеряют момент времени t_з, соответствующий пропаданию отраженного от цепи сигнала относительно начала сканирования антенны на прием, а определение направления на цель априорно известных временных законов сканирования антенны при излучении t_изл(θ) и приеме t_пр(θ) сигнала осуществляют путем решения следующего уравнения
θ_ц = θ_пр(t₃+U_-(x))-θ_o/2,

где
θ_пр(t) - функция, обратная временному закону сканирования t_пр(θ),
θ_пр(t_пр(θ)) ≡ θ;
θ_o - ширина диаграммы направленности антенны по заданному пороговому уровню.