СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО ОБЪЕКТА Российский патент 1998 года по МПК G01S13/08 

Изобретение относится к радиолокации и радионавигации и предназначено для определения дальности до объекта в системах с быстрым сканированием.

Если антенна за время действия излучаемого импульса производит разворот своего луча шириной θ_o в секторе обзора θ_н, θ_н + θ_обз, причем θ_обз > θ_o тогда антенна совершает сверхсканирование (быстрое сканирование) (Гинзбург В. М. Формирование и обработка изображений в реальном времени: Методы быстрого сканирования, М. Радио и связь, 1983, 232 с.). Быстрое сканирование может осуществляться как при излучении, так и при приеме сигнала, при этом законы сканирования θ_изл(t) и θ_пр(t) в общем случае не совпадают. Частным случаем сверхсканирования является внутриимпульсное сканирование (Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебник для вузов. 2-е изд. М. Радио и связь, 1983. 536 с.), однако для этого используют те же самые способы измерения дальности [1] которые не учитывают методические погрешности определения дальности за счет быстрого сканирования.

Известен импульсный способ измерения дальности (прототип) [1] заключающийся в излучении импульса передатчика, приеме отраженного от объекта сигнала, измерении промежутка времени τ_пп между излученным и принятым импульсами и формировании нии сигнала, пропорционального дальности до объекта, в соответствии с выражением
D = cτ_пп/2,
где С скорость распространения сигнала.

Однако данный способ имеет низкую точность за счет методической погрешности измерения дальности в случае быстрого сканирования луча антенны из-за неучета различия законов сканирования при излучении θ_изл(t) при приеме θ_пр(t) сигнала
θ_изл(t) ≠ θ_пр(t)
а также из-за неопределенности положения объекта внутри формируемого "слоя видимости".

Целью изобретения является повышение точности измерения дальности за счет устранения методической погрешности измерения в системах с быстрым сканированиям, вызванной различием законов сканирования при излучении θ_изл(t) и при приеме θ_пр(t) сигнала и неоднозначностью местоположения лоцируемого объекта внутри формируемого "слоя видимости".

Поставленная цель достигается тем, что в известном импульсном способе измерения дальности, заключающимся в излучении импульсного сигнала, приеме отраженного от объекта сигнала, измерении промежутка времени τ_пп между началом излучения и началом приема, дополнительно осуществляют измерения промежутков времени t_c1 и t_c2 между началом сканирования луча антенны на прием по закону θ_пр(t) и моментом времени, соответствующим превышению амплитуды принятого сигнала некоторого порогового значения U_cпор1 (t_с1) и моментом времени, соответствующим уменьшению амплитуды принятого сигнала с максимального значения U_cmax до некоторого порога U_cпор2, (t_c2) и формируют сигнал, пропорциональный дальности до объекта, в соответствии с выражением

где
нормированная диаграмма направленности антенны по мощности t_изл(θ)
функция, обратная закону сканирования при излучении импульсного сигнала, θ_изл(t); С скорость распространения сигнала.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Сигнал передатчика длительностью τ_имп излучается в секторе обзора с угловыми размерами от θ_н до θ_н + θ_обз (фиг.1) при быстром сканировании луча антенны по закону θ_изл(τ) θ_изл(0) = θ_н; θ_изл(τ_имп) = θ_н+ θ_обз.
Через некоторое время после окончания сканирования на излучение луч антенны начинает совершать быстрое сканирование на прием отраженного сигнала по закону θ_пр(t) и за время τ_обз луч антенны разворачивается в том же угловом секторе θ_н, θ_н + θ_обз:
θ_пр(0) = θ_н, θ_пр(τ_обз) = θ_н + θ_обз
Измеряют промежуток времени τ_пп между началом сканирования луча антенны на излучение и началом сканирования на прием.

Отраженный от объекта, находящегося в направлении θ_{ц =}, импульсный сигнал принимается антенной. Измеряют промежутки времени t_с1 и t_с2 между началом сканирования луча антенны на прием и моментом времени, соответствующим превышению амплитуды принимаемого сигнала некоторого порогового значения U_cпор1 (t_c1) и моментом времени, соответствующим уменьшению амплитуды принятого сигнала с максимального значения U_cmax до некоторого порога U_cпор2 (t_с2) ( фиг. 2). Формируют сигнал, пропорциональный дальности до объекта, в соответствии с выражением

нормированная диаграмма направленности антенны по мощности Фалькович С.Е. Понамарев В. И. Шкварко Ю.В. Оптимальный прием пространственно-временных сигналов в радиоканалах с рассеянием. /Под ред. С.Е.Фальковича. -М. Радио и связь, 1989, 296 с. /, t_изл(θ) функция, обратная закону сканирования луча антенны при излучении θ_изл(t) С скорость распространения сигнала.

Предлагаемый способ позволяет повысить точность измерения дальности за счет устранения методической погрешности измерения в системах с быстрым сканированием, вызванной различием законов сканирования при излучении и при приеме сигнала и неоднозначностью местоположения лоцируемого объекта внутри формируемого "слоя видимости". Методическая погрешность измерения дальности равна

В случае расположения объекта на нижней границе формируемого "слоя видимости" (точка Ц₀ на фиг.1)
θ_пр(t_c1) = θ_пр(t_c2) - (θ₀₁ + θ₀₂)/2, (2)
методическая погрешность измерения дальности будет вызвана только различием законов сканирования при излучении θ_изл(t) и при приеме θ_пр(t) сигнала
ΔD = c[t_c1- t_изл(θ_пр(t₁))]/2. (3)
Т. к. t_изл ( θ ) функция, обратная закону сканированная при излучении q_изл(t), то справедливо
t_изл(θ_изл(t) ≡ t (4)
т. е. в случае сканирования луча антенны при излучении к при приеме по одному и тому же закону
θ_изл(t) = θ_пр(t) = θ(t) (5)
методическая погрешность измерения дальности ΔD(3) будет равна нулю

а методическая погрешность измерения ΔD(1) будет определяться только неоднозначностью местоположения лоцируемого объекта внутри формируемого "слоя видимости" (точка Ц₁ на фиг. 1)

Таким образом, повышение точности измерения дальности для систем со сверхсканированием достигается за счет учета различия в законах сканирования при излучении θ_изл(t) и при приеме θ_пр(t) сигнала (3) и учета местоположения лоцируемого объекта внутри формируемого "слоя видимости" (9).

На фиг.3 приведен пример системы, реализующий предлагаемый способ.

Система содержит сканирующую антенну 1, систему управления 2 (СУА), антенный переключатель 3 (АП), передатчик 4, синхрогенератор 5, приемник 3, одновибраторы 7 и 8, счетчик 9, триггеры 10 и 11, измерители временных интервалов 12, 13 и 14, процессор 15, причем выход антенны 1 соединен с выходом АП 3, вход управления антенны 1 подключен к выходу СУА 2, первый вход АП 3 соединен с выходом передатчика 4, второй вход АП 3 соединен со входом приемника 3, выход приемника 6 подключен через одновибраторы 7 и 8 к входам установки в нулевое состояние триггеров соответственно 10 и 11, выходы триггеров 10 и 11 подключены через ИВИ соответственно 12 и 13 к первому и второму входам процессора 15, выход процессора 15 является выходом системы, выход автогенератора 5 соединен с синхровходами АП 3, СУА 2 и передатчика 4, а также с информационным входом счетчика 9, первый выход счетчика 9 подключен через ИВИ 14 к третьему входу процессора 15, второй выход счетчика 9 соединен с входами запуска ИВИ 12, ИВИ 13 и входами установки в единичное состояние триггеров 10 и 11, вход запуска системы подключен к входам установки в начальное состояние счетчика 9 и триггеров 10, 11 и входам запуска ИВИ 14 и синхрогенератора 5.

Система, реализующая предлагаемый способ, работает следующим образом.

Импульс на пусковом входе системы устанавливает в начальное состояние счетчик 9 и триггеры 10, 11 и запускает ИВИ 14 и синхрогенератор 5. Начальное состояние счетчика 9 и триггеров 10, 11 соответствует нулевому уровню сигнала на их выходах. Примером исполнения триггеров 10, 11 может быть, например, RS или УК-триггер со сбросом (входом начальной установки) Янсен 1.( Курс цифровой электроники: В 4-х т. т.2. Проектирование устройств на цифровых ИС: Пер. с голланд. -М. Мир, 1987, 338 с.). Примером конструктивного исполнения счетчика 9 может быть двоичный счетчик со сбросом (начальной установкой) Янсен 1. (Курс цифровой электроники: В 4-х т. т.2. Проектирование устройств на цифровых ИС: Пер. с голланд. М. Мир, I987, 338 с.). Конструктивно ИВИ 12, 13 и 14 могут быть выполнены, например, по методу счетных импульсов (Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебник для вузов. 2-е изд. М. Радио и связь, 1983, 533 с. с.429). Синхрогенератор 5 вырабатывает два импульса. По первому импульсу с синхрогенератора 5 АП 3 подключает передатчик 4 к антенне 1, передатчик 4 запускается и начинает генерировать радиоимпульс длительностью τ_имп СУА 2 Ушкар М.Н. Микропроцессорные устройства в радиоэлектронной аппаратуре. / Под ред. Б.Ф.Высоцкого. -М. Радио и связь, 1988. 128 с. начинает управление сканированием антенны 1 по закону θ_изл(t) в секторе обзора θ_н, θ_н + θ_{обз =} за время длительности импульса τ_имп передатчика 4, а на первом выходе счетчика появится единичный сигнал. Единичный сигнал с выхода счетчика 9 подается на вход ИВИ 14, который начинает измерение.

Через некоторое время τ_пп на выходе синхрогенератора 5 появляется второй импульс, по которому АП 3 подключит выход антенны 1 к входу приемника 6, СУА 2 обеспечивает управление сканированием антенны 1 по закону θ_пр(t) в секторе θ_н, θ_н + θ_обз время τ_обз (фиг.2), а счетчик 9 перейдет во второе состояние, т.е. на первом выходе счетчика 9 появится нулевой уровень, а на втором выходе счетчика 9 единичный уровень. В результате этого ИВИ 14 прекратит измерение, а на его выходе и соответственно на третьем входе процессора 15 появится код, соответствующий измеренное промежутку времени τ_пп Единичный сигнал на втором выходе счетчика 9 запускает ИВИ 12, 13 и устанавливает в единичное состояние триггеры 10, 11. Единичный сигнал с выхода триггеров 10, 11 поступает на входы ИВИ 12, 13, т.е. ИВИ 12, 13 начинают измерение.

Во время сканирования антенны 1 по закону θ_пр(t) с направления θ_ц появится отраженный от объекта радиосигнал (фиг.1), который принимается антенной 1 и через АП 3 подается на вход приемника 6. Видеосигнал с выхода приемника 6 через одновибраторы 7, 8 устанавливает соответственно триггеры 10, 11 в нулевое состояние. Одновибратор 8 вырабатывает сигнал по переднее фронту, а одновибратор 7 вырабатывает сигнал по заднему Фронту поступающего на его вход видеоимпульса. Основы промышленной электроники(Ю.А.Исаков и др. Киев: Техника, 1976. -544 с.). Нулевой сигнал на выходе триггеров 10, 11 означает окончание из измерения, проводимого ИВИ 12, 13, т.е. на выходе ИВИ 13 появится код промежутка времени, соответствующего t_c1 (фиг.2), который подается на второй вход процессора 15, а на выходе ИВИ 12 появится код промежутка времени, соответствующего t_c2 (фиг.2), который будет подаваться на первый вход процессора 15. Процессор 15 (Казаринов Ю.М. Новоконов В.Н. Филиппов Ф. В. Применение микропроцессоров и микроЭВМ в радиотехнических системах. Учебное пособие для радиотехнических спец. вузов. М. Высшая школа, 1988, 207с) на основе поступивших на его входы кодов, соответствующих промежуткам времени τ_пп t_c1, t_c2 формирует на своем выходе сигнал, пропорциональный дальности D до объекта в соответствии с выражением

где t_изл(θ) -функция, обратная θ_изл(t)

С скорость распространения сигнала.

По сравнению с прототипом предлагаемый способ позволяет повысить точность измерения дальности в системах с быстрым сканированием за счет устранения методической погрешности измерения, вызванной различием законов сканирования луча антенны при излучении θ_изл(t) и при приеме θ_пр(t) сигнала и неоднозначностью местоположения объекта внутри формируемого "слоя видимости", т.е. на величину
1

Использование: для определения дальности до объекта в системах со сверхсканированием. Сущность изобретения: излучают импульсный сигнал, принимают отраженный от объекта сигнал, измеряют промежуток времени между началом излучения и началом приема и измеряют дальность, а излучение и прием сигнала осуществляют при быстром сканировании дальности. Цель изобретения - повышение точности за счет устранения методической погрешности измерения дальности. 3 ил.

Способ измерения дальности до объекта, заключающийся в том, что излучают импульсный сигнал, принимают отраженный от объекта сигнал, измеряют промежуток времени τ_пп между началом излучения и началом приема и измеряют дальность D, отличающийся тем, что излучение импульсного сигнала и прием отраженного от объекта сигнала осуществляют при быстром сканировании луча антенны во время излучения по закону θ_изл(t) и во время приема по закону θ_пр(t), измеряют промежуток времени t_c между началом сканирования при приеме и моментом появления отраженного от объекта сигнала, измеряют длительность τ_s принятого отраженного от объекта сигнала по заданному уровню К и измеряют дальность D до объекта по формуле
D = c[τ_пп+t_c-τ₁]/2;
τ₁ = t_изл(θ_пр(t_c+τ_s)-θ_o);
где
K = F_p(θ_o/2),
нормированная диаграмма направленности сканирующей антенны по мощности;
θ_o - ширина диаграммы направленности антенны по уровню К;
t_изл(θ) - функция, обратная закону сканирования луча антенны во время излучения импульсного сигнала θ_изл(t);
с скорость света.