СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО НЕЛИНЕЙНО-РАССЕИВАЮЩЕГО ОБЪЕКТА Российский патент 1998 года по МПК G01S13/74 

Изобретение относится к радиолокационным способам измерения дальности до источника вторичного излучения с нелинейным преобразованием зондирующего сигнала (нелинейно-рассеивающий объект).

Известные способы измерения дальности можно условно разделить на несколько групп.

1. Временной (радиолокационный) предполагающий определение времени распространения сигнала до цели и обратно, а по этому времени дальность до цели. Данный способ позволяет определять расстояние с точностью до половины пути сигнала за время длительности импульса. Поэтому при дальностях до объекта меньше указанного расстояния временной способ не применим.

2. Фазовые способы, основанные на измерении разности фаз между излученным и вернувшимся от цели сигналами. Эти способы предполагают применение сигналов с высокой когерентностью (стабильностью частоты и фазы). Однако нелинейно-рассеивающие объекты обладают инерционностью, которая проявляется в появлении априорно неизвестного сдвига фаз между зондирующим и рассеянным сигналом на частотах продуктов нелинейного преобразования зондирующего сигнала. Поэтому применение фазового способа определения дальности до нелинейно-рассеивающего объекта приводит к принципиально неустранимой ошибке. Кроме того, задача измерения фазы принятого сигнала намного труднее по сравнению с измерением амплитуды.

3. Есть группа способов определения расстояния по градиенту пространственного распределения мощности сигнала. Например, способ используется для определения расстояния до источника помех в радиосвязи (Кононов И.И., Петренко И. А. , Снегуров В.С. Радиотехнические методы местоопределения грозовых очагов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986). Способ применим, когда известен закон пространственного распределения напряженности или плотности потока мощности сигнала источника, до которого определяется расстояние. Как правило, это некоторая гиперболическая зависимость спадания величины мощности принимаемого сигнала с увеличением расстояния P_пс≈R^-n, где n - число. Для свободного пространства: n=2 - для радиосвязи; n=4 - для радиолокации. В случае приземного распространения зависимость сложнее, хотя известны аналитические выражения позволяющие ее определить (М.П.Долуханов. Распространение радиоволн. М. , Связьиздат, 1960). Например, в большинстве случаев для приземной радиолокации можно считать n=8. Другими словами способ применим в тех ситуациях, когда может быть записано в явном виде основное уравнение радиосвязи или радиолокации, т. е. зависимость мощности принимаемого сигнала от расстояния. Суть способа в нахождении пространственной производной, по значению которой можно определить расстояние R до источника излучения. Действительно, пусть P_пс = K/Rⁿ, где K = const - некоторый коэффициент. Находя производную P_пс по R и зная величину n, из основного уравнения (закона спадания мощности принимаемого сигнала от расстояния) легко определить R

На практике способ может быть реализован следующим образом. В точке пространства 1 с подвижного носителя в направлении цели излучается зондирующий сигнал. Измеряется мощность принимаемого сигнала P_пс1. Носитель передвигается вперед на некоторое расстояние ΔR в точку 2, в которой снова измеряется мощность принимаемого сигнала P_пс2. Величина пространственной производной приближенно вычисляется из значений P_пс1 и P_пс2, а в качестве мощности принимаемого сигнала в выражении (1) подставляется средняя мощность принимаемого сигнала на отрезке пути ΔR.

Расстояние до источника может быть приближенно найдено как:

Рассматриваемый способ удобен для использования на подвижном носителе, поскольку подразумевает возможность измерения только уровня принимаемого сигнала и отрезка пройденного расстояния ΔR. .

Описанный способ выбран в качестве прототипа.

Недостатком прототипа с точки зрения задачи определения дальности до нелинейно-рассеивающих объектов является то, что способ применим, если в явном виде известно основное уравнение радиолокации. Как показали исследования авторов, в случае облучения зондирующим сигналом нелинейно-рассеивающего объекта и использовании в качестве приемного сигнала на частоте одного из нелинейных продуктов, являющегося результатом нелинейного преобразования зондирующего сигнала на нелинейно-рассеивающем объекте, основное уравнение носит индивидуальный характер и в общем случае коэффициент n не известен даже для известных закона спадания мощности на частоте зондирующего сигнала P_зс≈R^-a и закона спадания мощности на частоте принимаемого сигнала P_пс≈R^-b.

Это происходит потому, что амплитудная характеристика различных нелинейно-рассеивающих объектов в общем случае различна (А.А.Горбачев, С.В.Ларцов, С.П.Тараканков, Е.П.Чигин. Амплитудные характеристики нелинейных рассеивателей //Радиотехника и электроника, 1996, N 5). Под амплитудной характеристикой понимается зависимость
П_рс=τ(П_зс), (3)
где
П_рс - плотность потока мощности рассеянного сигнала на частоте нелинейного продукта, измеренная на фиксированном расстоянии r от нелинейно-рассеивающего объекта;
П_зс - плотность потока мощности зондирующего сигнала на нелинейно-рассеивающем объекте.

Амплитудная характеристика определяет вид основного уравнения радиолокации для случая зондирования нелинейно-рассеивающих объектов. Действительно, П_зс у нелинейно-рассеивающего объекта можно записать
П_зс=P_зс•G•R^-α ,
где
G - коэффициент усиления антенны зондирующего сигнала;
R - дальность от антенны зондирующего сигнала (то есть носителя) до нелинейно-рассеивающего объекта;
P_зс - мощность зондирующего сигнала;
α- коэффициент, характеризующий убывание интенсивности зондирующего сигнала с расстоянием.

Мощность принимаемого сигнала P_пр связана с величиной П_рс на фиксированном расстоянии r от нелинейно-рассеивающего объекта соотношением
P_пс=S•П_рс•r^β•R^-β,
где
S - площадь приемной антенны;
R - расстояние от приемной антенны до нелинейно-рассеивающего объекта;
β- - коэффициент, характеризующий убывание интенсивности принимаемого сигнала с расстоянием.

Вид основного уравнения в общем случае имеет неявный вид:
P_пс=S•r^β•R^-β•τ(P_зс• G•R^-α) (4)
Как показали исследования авторов (А.А.Горбачев, С.В.Ларцов, С.П.Тараканков, Е. П. Чигин. Амплитудные характеристики нелинейных рассеивателей //Радиотехника и электроника 1996, N 5) вид амплитудной характеристики (3) для некоторого диапазона значений П_зс может быть апроксимирован показательной функцией
П_рс=δ_h•Пγзс

С учетом (4) уравнение (5) может быть переписано как:
P_пс=S•r^β•R^-β•δ_h•(P_зс• G•R^-α)^γ. (6)
Считая, что S, r, δ_h, G - постоянные величины, запишем (6) в виде

Для того чтобы воспользоваться описанным выше способом определения R, необходимо кроме коэффициентов α, β знать и коэффициент γ. Коэффициент γ не может быть в общем случае задан априорно, однако его можно найти из (7). Для этого необходимо найти при R=const значения P_пс для двух близких значений P_зс1 и P_зс2. Действительно, если P_пс~(P_зс)^γ, то

Нахождение γ легко осуществить экспериментально. Единственным требованием является требование изменения P_зс в небольших пределах.

Предлагаемый способ измерения дальности до нелинейно-рассеивающего объекта предполагает следующие действия.

1. Излучение в направлении нелинейно-рассеивающего объекта зондирующего сигнала в точке 1 пространства и измерение мощности принимаемого сигнала на частоте рабочего нелинейного продукта P_пс1.

2. Передвижение носителя на некоторое фиксированное расстояние ΔR в точку 2.

3. В точке 2 снова в направлении нелинейно-рассеивающего объекта излучается зондирующий сигнал и измеряется мощность принимаемого сигнала P_пс2.

4. В точке 2 мощность зондирующего сигнала уменьшается на величину ΔP_зс и измеряется мощность принимаемого сигнала P_пс3.

5. Находят значение коэффициента γ по формуле
γ= (P_пс2[дБ ВТ]-P_пс3[дБ ВТ])/ΔP_зс[дБ ВТ].
6. Определяют коэффициент n по формуле
n=α+β•γ,
где
α- показатель закона спадания мощности на частоте зондирующего сигнала
β- показатель закона спадания мощности на частоте принимаемого сигнала P_пс~ R^-β.
7. Определяют дальность до нелинейно-рассеивающего объекта по формуле

Способ может быть реализован с помощью устройства, блок схема которого представлена на чертеже, где 1 - генератор зондирующего сигнала, 2 - полосовой фильтр на частоту зондирующего сигнала, 3 - СВЧ переключатель, 4 - аттенюатор на величину 1 дБ, 5 - СВЧ реле, 6 - переключатель реле, 7 - излучающая антенна зондирующего сигнала, 8 - подвижный носитель, 9 - индикатор передвижения, 10 - нелинейно-рассеивающий объект, 11 - приемная антенна на частоту второй гармоники зондирующего сигнала, 12 - полосовой фильтр на частоту второй гармоники зондирующего сигнала, 13 - приемник на частоту зондирующего сигнала, 14 - индикатор величины мощности принимаемого сигнала на частоте второй гармоники зондирующего сигнала. Генератор 1 может быть специально изготовленным СВЧ генератором или стандартным генератором типа Г4-159; полосовые фильтры 2, 12 могут быть изготовлены по Леонченко В.П. и др. (Расчет полосковых фильтров на встречных стержнях. Справочник. М., "Связь", 1975, с. 37); в качестве СВЧ реле 3, 5 могут выступать стандартные СВЧ реле РЭВ 15, которые в исходном (без напряжения на электромагните) состоянии подключают выход фильтра 2 к входу антенны 7; в качестве переключателя реле 6 может быть использован стандартный тумблер типа П2Т-1-18, который при его переключении подает питание от бортовой сети носителя на электромагниты СВЧ реле 3, 5; аттенюатор 4 может быть изготовлен по Шкурин Г.П. (Справочник по электро- и электронноизмерительным приборам, М., 1972); антенны 7, 11 могут быть специально изготовлены либо использованы стандартные типа П6-33, П6-23А; в качестве подвижного носителя 8 может быть использовано любое транспортное средство, например БТР-70, как это было в эксперименте, в качестве индикатора передвижения 9 может быть использован любой счетчик пути, в эксперименте использовался усовершенстованный спидометр носителя, что позволило фиксировать расстояния с точностью до 10 см, нелинейно-рассеивающим объектом может выступать любая аппаратура, содержащая полупроводниковые элементы (приемники, компьютеры, мины с электронными взрывателями) или специально изготовленные антенны с нелинейной нагрузкой (см. Нелинейные электромагнитные волны: Пер. с англ. /Под. ред. П.Усленги - М.: Мир, 1983, с. 223); приемником 13 может выступать стандартный измерительный приемник типа SMV 8.5; индикатором величины мощности принимаемого сигнала на частоте второй гармоники зондирующего сигнала 14 может выступать индикатор приемника SMV 8.5.

Устройство работает следующим образом. Носитель с включенным генератором зондирующего сигнала движется вперед до момента обнаружения в зоне облучения нелинейно-рассеивающего объекта, при этом на индикаторе 14 должен появиться сигнал, превышающий некоторый заранее выбранный порог. При обнаружении носитель останавливается и оператор считывает с индикатора 14 значение мощности принятого сигнала P_пс1 в точке 1. После этого носитель двигается вперед и проходит расстояние 1 м, оказавшись в точке 2. Оператор считывает с индикатора значение мощности принятого сигнала P_пс2 в точке 2. Затем оператор включает переключатель 6 (при этом в тракт зондирующего сигнала включается аттенюатор 4 и мощность зондирующего сигнала ослабляется на величину 1 дБ) и считывается с индикатора 14 показание мощности принимаемого сигнала P_пс3. По значениям P_пс2, P_пс3 оператор определяет значение коэффициента γ
γ= P_пс3[дБ ВТ]-P_пс3[дБ ВТ] .
Заранее зная коэффициенты законов спадания мощности для частоты зондирующего сигнала и частоты второй гармоники зондирующего сигнала α и β (например, для приземного распространения на достаточно больших расстояниях α=β=4), оператор определяет дальность расположения нелинейно-рассеивающего объекта по формуле

Данная реализация предлагаемого способа позволяет легко его автоматизировать. Для этого сигналы с датчика пути и индикатора принимаемого сигнала должны поступать на вычислительно-управляющее устройство. Вычислительно-управляющее устройство при обнаружении нелинейно-рассеивающего объекта запоминает значение мощности принимаемого сигнала (точка 1) и дает команду на остановку носителя. В конце тормозного пути (а это несколько метров) устройство проводит необходимые операции в точке 2 и выводит на свой индикатор значение дальности до нелинейно-рассеивающего объекта.

Апробация способа в условиях приповерхностного зондирования показала возможность его использования.

Изобретение относится к радиолокации, а точнее к радиолокационным способам измерения расстояния до источника вторичного излучения с нелинейным преобразованием зондирующего сигнала. Предлагаемый способ применим, если известен явный вид уравнения радиолокации, пространственная производная которого однозначно связана с дальностью до нелинейно-рассеивающего объекта. Пространственная производная находится по измерениям интенсивности рассеянного сигнала в двух близко расположенных точках. Дополнительно экспериментально определяют показатель показательной функции, связывающей интенсивности рассеянного и зондирующего сигналов. Это позволяет определить явный вид уравнения радиолокации для нелинейно-рассеивающего объекта при заданных законах пространственного распределения интенсивностей зондирующего и рассеянного сигналов. 1 ил.

Способ измерения дальности до нелинейно-рассеивающего объекта, заключающийся в излучении в направлении нелинейно-рассеивающего объекта зондирующего сигнала в точке 1 пространства, измерении мощности принимаемого сигнала на частоте рабочего нелинейного продукта P_пс1, передвижения носителя на некоторое фиксированное расстояние ΔR в точку 2, в которой снова в направлении нелинейно-рассеивающего объекта излучается зондирующий сигнал и измеряется мощность принимаемого сигнала P_пс2, и вычислении дальности до нелинейно-рассеивающего объекта по формуле

отличающийся тем, что дополнительно в точке 2 мощность зондирующего сигнала уменьшается на величину ΔP_зс и измеряется мощность принимаемого сигнала P_пс3, по которой находят значение коэффициента γ
γ = (P_пс2[дБ BT]-P_пс3[дБ BT])/ΔP_зс[дБ BT],
а коэффициент n определяется как n = α+βγ,
где α - показатель закона спадания мощности от расстояния на частоте зондирующего сигнала P_зс~ R^-α;
β - показатель закона спадания мощности от расстояния на частоте принимаемого сигнала P_пс~ R^-β.р