СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ И СОПРОВОЖДЕНИЯ ОБЪЕКТОВ Российский патент 1997 года по МПК G01S13/04 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в перспективных РЛС для управления воздушным движением и для контроля воздушного пространства.

Необходимым условием обеспечения этого управления и контроля является знание координат всех объектов, находящихся в контролируемом пространстве, с точностью 20-40' по углам и 20-30 м по дальности, а также способность разрешать объекты, разнесенные относительно РЛС на 1-2^o.

Кроме того, измеренные координаты при первичном обнаружении должны уточняться в процессе движения, т.е. объекты должны сопровождаться.

Таким образом, процесс контроля воздушного пространства заключается как в обнаружении объекта, так и в сопровождении при его пролете через контролируемую зону, имеющую обычно угловой размер ΔB 360^o по азимуту и ΔE 30^o по углу места.

Классический способ выполнения этих функций основан на регулярном последовательном обзоре заданного пространства с помощью РЛС, имеющей игольчатую форму диаграммы направленности антенны (ДНА). Требуемая точность по дальности при этом обеспечивается за счет применения широкополосных сигналов (Справочник по радиолокации под ред. М.Сколника, М. Сов. радио, т. 1, 1976, с. 16). А разрешающая способность по угловым координатам обеспечивается за счет применения антенны соответствующих размеров, поскольку разрешение определяется шириной луча ДНА, которая в свою очередь пропорциональна (λ длина волны РЛС, D линейный размер апертуры антенны). Для получения разрешающей способности 1-2^o применяют антенны с шириной ДНА 1-2^o. Реализовать такую ДНА с приемлемыми размерами апертуры антенны можно в коротковолновом S-диапазоне (частота 2000-4000 МГц) (см. там же).

Высокую же точность измерения угловых координат при этом обеспечивают за счет обработки информации, содержащейся в отраженных сигналах, принимаемых при разных направлениях ДНА относительно объекта. Чаще всего применяют одноканальный метод весовой обработки пакета отраженных импульсов (Теоретические основы радиолокации, под ред. Я.Д.Ширмана, Сов.радио, М. 1970, с. 276), разновидностью которого является метод определения центра пакета. Суть метода в том, что отраженные от объекта сигналы, принятые при зондировании K соседних направлений вокруг него, объединяют в единый радиолокационный пакет, а затем определяют угловую координату объекта как среднее арифметическое значение координат оси антенны, соответствующих началу и концу пачки.

Суть этого метода поясняется фиг. 1 2. На фиг. 1 показано положение лучей РЛС при зондировании К направлений, q₁, ... θ_к вокруг направления θ₀ на объект (точка О). На фиг. 2 показано положение лучей антенны, соответствующих началу пакета θ₁ и концу θ_к, которые определяются уровнем коэффициента усиления антенны КУ_о в направлении θ₀ на объект, при котором уровень принимаемого отраженного от объекта сигнала равен порогу обнаружения. При этом

Таким образом, точность измерения θ₀ будет определяться точностью определения θ₁ и θ_к, что, в свою очередь, при достаточно больших отношениях сигнал/шум определяется, в основном, дискретностью укладки лучей вокруг направления на объект Δθ = θ_i-θ_i-1 при i=2-K. При этом среднеквадратичная ошибка измерения угловой координаты
σ_θ≈ Δθ (1)
(С.З.Кузьмин. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации, М. Радио и связь, 1986, с. 99-100, рис. 2.19).

Как правило, регулярный обзор пространства осуществляют с меньшей плотностью укладки лучей, т.е. с большим значением дискреты укладки, чем Dq, но в каждом периоде прохода луча антенны направления на объект уплотняют их укладку. Для того чтобы минимизировать объем пространства, в котором требуется более плотная укладка, определяют наиболее вероятное положение объекта к следующему периоду прохода луча антенны путем экстраполяции координат объекта, определяя экстраполяционную точку его положения (Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации, 1974). Вокруг экстраполяционной точки устанавливают экстраполяционный строб, в котором и уплотняют укладку лучей (см. фиг. 2).

Можно показать, что размер экстраполяционного строба по азимуту Dq стр для неманеврирующего объекта определяется выражением (см. там же)

где K коэффициент, определяемый видом алгоритма экстраполяции.

Для наиболее распространенного алгоритма в установившемся режиме автосопровождения: К=0,75 (см. там же, с.388), тогда
Dq_стр≈ 5σ_θ (2)
и число направлений зондирования с учетом (1).

Таким образом, известный способ обнаружения и сопровождения объектов с требуемыми точностями и разрешающей способностью основан на регулярном обзоре заданного пространства РЛС не ниже S-диапазона при зондировании K >> 1 направлений в стробе вокруг направления на объект, выставляемом на основе экстраполяции координат при его сопровождении.

Работа всех наиболее распространенных современных РЛС основана на этом способе. В качестве примера РЛС S-диапазона может служить RAT-31S (Радиоэлектроника за рубежом, N 17, 1980, с. 23), используемая в системах УВД и ПВО. Эта РЛС имеет параметры: l 10 см, размер антенны 4 x 4 м, ширина луча в горизонтальной плоскости 1,5^o, в вертикальной 1,5-3^o, обзор пространства по азимуту обеспечивается механическим вращением ФАР со скоростью 6 или 10 об/мин.

При использовании описанного способа сопровождения процессы обзора пространства и получения пакета сигналов с К направлений, в основном, совмещаются, поэтому дополнительный расход энергии для получения точного значения угловой координаты определяется только степенью уплотнения лучей в экстраполяционном стробе.

Уровень возможного расхода энергии РЛС RAT-31S позволяет обнаруживать воздушные объекты с эффективной площадью рассеяния (ЭПР) s 3 м² на дальности 100 км и вести сопровождение по мере их приближения.

Затраты энергии РЛС коротковолнового диапазона S (РЛС_к) на один период обзора T_о можно оценить выражением:
Э_ок=Э_1к•F•T_о (4)
где Э_1к затраты энергии РЛС_к на одно зондирование;
F частота зондирования;
T_о период обзора пространства.

Недостаток способа обнаружения и сопровождения объектов в коротковолновом, например, S-диапазоне состоит в необходимости излучения сравнительно большого количества ВЧ-энергии, что приводит к большим затратам энергетических ресурсов и к ухудшению экологической обстановки в зоне расположения РЛС. Особенно этот недостаток проявляется при решении задачи обнаружения и сопровождения малозаметных объектов, под которыми имеются в виду как летательные аппараты с малыми линейными размерами, т.е. с малой ЭПР, так и объекты, созданные по технологии, обеспечивающей их слабую радиозаметность, например, по технологии Stealth (Interavia, 1987, IV, p.331-333), что эквивалентно также малой ЭПР. Так, если ЭПР малозаметного объекта составляет, например, величину 0,1 м², то для его обнаружения на дальности 100 км необходимо увеличить затраты энергии RAT-31S в 30 раз.

Известен способ обнаружения и сопровождения на основе собственных излучений радиоэлектронных средств объекта в коротковолновом, например, S-диапазоне (Теоретические основы радиолокации, под ред. Я.Д.Ширмана, Сов.радио, М. 1970, с. 494). Поскольку дальность до источника излучения не может быть определена по данным приема только в одном пункте, то для определения всех координат одного объекта требуется комплекс не менее чем из двух РЛС, а если объектов несколько, то возникает неоднозначность в измерении, для устранения которой требуется большее их число.

На фиг.3 дано пояснение сути триангуляционного способа (см. там же) определения координат излучающего объекта в горизонтальной плоскости для случая, когда высота полета объекта (точка О) H << r₁, r₂ (r₁, r₂ дальность от РЛС₁, РЛС₂ до объекта), т.е. что объект находится по отношению к РЛС₁ и РЛС₂ под нулевым углом места e₁≈ ε₂≈ 0. С помощью РЛС₁ и РЛС₂ измеряют угловые направления θ₁ и θ₂ приема излучений объекта из точки О. Дальность до объекта вычисляется из соотношений:

где Б расстояние между РЛС₁ и РЛС₂.

Недостаток этого способа в том, что объекты нерегулярно излучают сигналы, а некоторые вообще могут их не излучать.

Наиболее близким техническим решением является способ обнаружения и сопровождения объектов, основанный на оборе пространства длинноволновой РЛС (РЛС₀) и передаче информации о координатах объектов коротковолновой РЛС_к, которая после обнаружения по этим данным объекта осуществляет его сопровождение (Interavia, 1987, IV, p. 331-333). Эффективность способа основана на том, что современные летательные аппараты (ЛА) имеют в длинноволновом диапазоне ЭПР значительно выше, чем в коротковолновом диапазоне. Так, например, в УВЧ-диапазоне ЭПР в 7 раз выше, чем в S-диапазоне, а для перспективных ЛА эта разница составит 100 раз (БИНТИ N 46 (2291), ТАСС 12.11.86).

В статье Effect of Radar Frequency on the Detection of Shaped (LowRCS) Targets D.Moraitis, S.Alland, IEEE, 1985, Radar-85 p.p. 159-162.

показано, что ЭПР многих радиолокационных объектов может быть представлена зависимостью:
σ ~ λⁿ,
где σ ЭПР объекта,
l длина волны РЛС,
n фактор формы объекта.

Для форм объекта с низкой ЭПР n=2. Там же показано, что дальность обнаружения малозаметных объектов длинноволновыми РЛС увеличивается в 1,75 раза по сравнению с РЛС S-диапазона и в 2,2 раза по сравнению с РЛС более коротковолнового C-диапазона. Это означает, что при прочих равных условиях для зондирования одного направления затраты энергии длинноволновой РЛС_д с длиной волны l_д могут быть уменьшены по сравнению с затратами РЛС_к с длиной волны
или с учетом (4):

где Э_од- затраты энергии длинноволновой РЛС_д на один период обзора заданного пространства.

Но как уже отмечалось, для получения требуемого разрешения объектов по угловым координатам необходимо использовать, как минимум, S-диапазон. Поэтому в способе-прототипе предусмотрено, что после обнаружения объекта длинноволновой РЛС_д данные о его координатах передаются коротковолновой РЛС_к, которая после обнаружения по этим данным ведет его сопровождение точно так же, как и в способе-аналоге, т.е. путем зондирования К направлений в экстраполяционном стробе.

Экономия затрат энергии на обнаружение РЛС_к S-диапазона в способе-прототипе по сравнению с аналогом происходит за счет того, что вместо регулярного обзора всего пространства, в процессе которого происходит излучение энергии в объеме ΔB×ΔE, осуществляют излучение энергии только в направлениях, в которых длинноволновая РЛС_д обнаружила объекты, обеспечивая при этом высокую разрешающую способность и точность измерения координат, достигаемую автономной работой РЛС_к.

Объем пространства, где требуется излучение энергии РЛС_к, составит величину:
n_То•Δθ_д•Δε_д≪ ΔB•ΔE (6)
где n_То число новых объектов, обнаруженных РЛС_д на период обзора пространства T_о;
Δθ_д•Δε_д размеры зоны поиска объекта РЛС_к по азимуту и углу места на основе данных РЛС_д, определяемые выражением:
Δθ_д≈ ± 2σ_θд; Δε_д≈ ±2σ_εд.
где σ_θд,σ_{εд =} среднеквадратичные ошибки измерения азимута и угла места РЛС_д.

Таким образом, затраты энергии РЛС_к на первичное обнаружение объекта за время Т_о (до начала его сопровождения) в соответствии с (6) составят величину

где Э(n)oк

затраты энергии РЛС_к в способе-прототипе на первичное обнаружение n_То объектов.

После обнаружения объекта с помощью РЛС_к определяют более точные его угловые координаты и ведут его сопровождение, как показано выше, путем зондирования K >> 1 направлений в экстраполяционном стробе. Поскольку надобность в регулярном обзоре с помощью РЛС_к при этом способе отпадает, то зондирование K направлений с помощью РЛС_к осуществляется только в интересах получения требуемой точности измерения угловых координат. Затраты энергии за один период обзора на сопровождение N объектов составят величину

где Э(N)ск

затраты энергии РЛС_к в способе-прототипе за время T_o на сопровождение N объектов, находящихся в контролируемой зоне усредненное время t.

Тогда общие затраты энергии за время T_o комплекса РЛС_д + РЛС_к в способе-прототипе на обнаружение и сопровождение объектов с учетом (5), (7) и (8) будут равны

Выигрыш в общих затратах энергии на обнаружение и сопровождение объектов способа-прототипа W^(п) в соответствии с (4) и (9) составит величину:

Для реальных значений, с учетом (3):

выигрыш составит величину
W^(п) ≈ 3,7
Анализируя (10) можно сделать вывод, что выигрыш для реальных значений параметров (11) ограничивается величиной затрат РЛС_к и, в первую очередь, на сопровождение объектов.

Действительно, в соответствии с (4), (7) и (8) затраты РЛС_к на сопровождение объектов превосходят ее же затраты на первичное их обнаружение за один период обзора:

Для значений (11), независимо от n_То

Недостаток способа-прототипа обнаружения и сопровождения объектов состоит в сравнительно больших затратах энергии коротковолновой РЛС на сопровождение.

Заявляемое изобретение направлено на решение следующей задачи: сокращение затрат энергии коротковолновой РЛС_к на сопровождение объекта.

Эта задача решается путем увеличения точности измерения угловой координаты объекта при приеме сигнала РЛС с одиночного направления. Указанный результат достигается тем, что в известном способе радиолокационного обнаружения и сопровождения объектов, заключающемся в обзоре пространства длинноволновой РЛС и передаче информации о координатах объектов коротковолновой, согласно изобретению точные координаты определяют на основе совместного измерения дальности до объектов разнесенными в пространстве коротковолновой и длинноволновой РЛС.

Таким образом, суть изобретения состоит в следующем. С помощью длинноволновой РЛС_д осуществляют обзор пространства, обнаруживают объект, измеряют до него дальность r_д и угловую координату и эти данные передают коротковолновой РЛС_к, отстоящей от РЛС_д на расстояние Б; с помощью РЛС_к осматривают участок пространства размером, определяемым значениями Δθ_д и θ_д, обнаруживают объект, измеряют до него дальность r_к; на основе данных r_д, r_к и Б из соотношений треугольника вычисляют более точное значение угловой координаты объекта, сопровождают в процессе его полета с помощью обеих РДС, определяя текущее значение r_дt и r_кt, вычисляют угловую координату, определяют параметры экстраполяционного способа.

Суть изобретения поясняется на фиг. 4 для наиболее распространенного случая, когда высота полета объекта H << r_д, r_к и в процессе полета H const. С помощью РЛС_д в момент времени t_i обнаруживают объект (точка 0), измеряют координаты

Таким образом, с помощью РДСд определяют, что объект находится в четырехугольнике abcd.

С помощью РЛС_к просматривают пространство, ограниченное этим четырехугольником, в момент времени t_i + Δt, обнаруживают объект и измеряют дальность до него r_к(t_i+Δt) При этом либо обеспечивают Δt ≈ 0,, либо экстраполируют и получают r_д(t_i+Δt) используя значение радиальной по отношению к РЛС_д скорости V_д, определяемой из выражения:

Поэтому в дальнейшем считаем, что r_д и r_к получают в один момент времени t_i.

По данным и на основе соотношений треугольника определяют угол

Радиальную скорость V_к по отношению к РЛС_к определяют аналогично (13). По полученным данным, как в известном способе, определяют параметры экстраполяционного строба, в следующем периоде обзора просматривают его с помощью РЛС_д и РЛС_к, причем с помощью РЛС_к зондируют направления этого строба только до получения первого сигнала (вместо зондирования К направлений вокруг объекта), поскольку точность измерения угла определяется точностью измерения , а не плотностью укладки лучей в экстраполяционном стробе, как в способе-прототипе. Размер этого строба также определяется выражением (2), а входящее в это выражение σ_θ, для предлагаемого способа может быть найдено из (14):

где среднеквадратичная ошибка измерения угла θ_k для предлагаемого способа (разнесенные РЛС_к и РЛС_д);
среднеквадратичная ошибка измерения дальности соответственно r_д и r_к, определяемая выражением:

где σ_t среднеквадратичная ошибка измерения времени запаздывания отраженного сигнала;
C скорость распространения э-м энергии.

Для сигнала с прямоугольным спектром выражение для σ_t имеет вид (Теоретические основы радиолокации, под ред. Я.Д.Ширмана, м. Сов. радио, 1970, с. 191):

где q отношение сигнал/шум;
Δf ширина спектра сигнала.

Практически
(r_k-r_д)²<<Б² и r2д

,r2к>>Б²
Это соотношение имеет место, например, при использовании комплекса РЛС_к и РЛС_д для трассовой локации гражданской авиации с базой, перпендикулярной основному направлению движения самолетов.

Из (15) и (16) получим

Из (2) и (17) получим размер экстраполяционного строба для предлагаемого способа с разносом РЛС:

Поскольку для измерения угловой координаты достаточно получения сигнала с одного направления, то путем выбора Б при достигаемых значениях желательно получить величину Δθ(p)стр =

, перекрываемую одним лучом РЛС_к.

Для РЛС РАТ-31S нужно получить ≅1,5^oC 0,026 рад, тогда для реально достигаемых значений q•Δf 24•10⁶ при из (16) и (18) получим базы Б, при которой для сопровождения объекта достаточно зондировать с помощью РЛС_к одно направление (К^(р)=1):
Б ≥ 800 м
Таким образом, использование предлагаемого способа вместо способа-прототипа позволяет сократить затраты энергии РЛС_к на сопровождение объекта для параметров, определяемых (11), в 6 раз.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в перспективных РЛС для управления воздушным движением и для контроля воздушного пространства. В основу изобретения положена задача сокращения затрат энергии коротковолновой РЛС на сопровождение объекта. Эта задача решается путем увеличения точности измерения угловой координаты объекта при приеме сигнала РЛС с одиночного направления. Указанный результат достигается тем, что в известном способе радиолокационного обнаружения и сопровождения объектов, заключающемся в обзоре пространства длинноволновой РЛС и передаче информации о координатах объектов коротковолновой РСЛ, согласно изобретению точные координаты определяют на основе совместного измерения дальностей до объектов разнесенными в пространстве коротковолновой и длинноволновой РЛС. 4 ил.

Способ радиолокационного обнаружения и сопровождения объектов, заключающийся в обзоре пространства длинноволновой РЛС и передаче информации о дальности до объекта и его угловой координаты коротковолновой РЛС, в обнаружении этой РЛС по этим данным объекта и измерении дальности до него, в определеннии более точных угловых координат, отличающийся тем, что сопровождение объектов ведут совместно длинноволновой и коротковолновой РЛС, определяя точную угловую координату в плоскости пространственного разноса РЛС из соотношения сторон треугльника, образованного измеренными дальностями и известным разносом.