СПОСОБ САМОФОКУСИРОВАНИЯ РАДИОКАМЕРЫ Российский патент 1998 года по МПК G01S13/89 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к системам получения радиолокационных изображений объектов. Системы, предназначенные для решения этой задачи, иногда называют радиокамерами (РК). Последние включают в себя совокупность разнесенных в пространстве приемных пунктов, образующих протяженное антенное поле, и один или несколько передающих пунктов для радиолокационной подсветки объекта наблюдения. Таким образом, подвижный объект наблюдается неподвижной когерентной многопозиционной радиокамерой.

Основной проблемой, связанной с созданием систем получения радиолокационных изображений (РЛИ) объектов, является "фазовая проблема", обусловленная наличием случайных ошибок в измеренном значении фазы принимаемого сигнала.

Получить РЛИ с требуемым качеством проблематично, если не принять специальных мер по компенсации фазовых искажений в системе, измеряющей характеристики рассеяния. Источниками фазовых искажений являются
неопределенность движения объекта;
влияние среды распространения радиолокационного сигнала;
ошибки позиционирования приемного (приемных) пунктов и передающего (передающих) пунктов РК;
неравномерность амплитудно и фазочастотных характеристик измерителей.

Известны способы компенсации фазовых искажений, возникающих при измерениях [1,2,3] . Суть способов заключается в том, что в каждом приемном пункте РК регистрируется фаза сигнала, принимаемого от опорного источника, и затем производится ее вычитание из значений фазы принимаемого приемным пунктом РК сигнала. В результате устраняются все фазовые нестабильности в направлении на опорный источник (ОИ).

Наиболее близким по своей сущности к заявляемому изобретению (прототипом) следует считать способ самофокусирования РК по сигналам опорного источника, рассматриваемый в работе [1,3]. При самокалибровке РК по сигналам ОИ выполняются следующие операции.

а) Регистрируются и запоминаются выходные сигналы приемников U_n,m•Exp[jϕ_n,m], где n = 1...N - номер приемника, m=1...M - номер кольца дальности, в виде двух квадратурных составляющих.

б) Осуществляется поиск канала дальности, в котором имеется один стабильный источник опорного сигнала. Если в канале дальности имеется мощный точечный источник, то амплитуды сигналов в приемных устройствах будут в идеале одинаковы. Поэтому задачей поиска является определение такого канала дальности, в котором амплитуды сигналов приемных устройств примерно равны.

в) Фокусирование на ОИ. Эта операция сводится к введению на алгоритмическом уровне таких фазовых сдвигов, при которых сигналы опорного канала дальности m₀ оказываются сфазированными

г) Перефокусирование на элементы объекта, находящиеся на том же направлении, что и ОИ, но в других каналах дальности

д) Перефокусирование на элементы объекта, находящиеся на направлениях, не совпадающих с направлением на ОИ ("сканирование")
B_n,m•Exp(-jkx_n•u),
где
U = sin(θ); θ - угол, отсчитываемый от направления на ОИ.

е) Суммирование сигналов для всех элементов приемной апертуры для каждого канала дальности из N

Недостатком данного способа является то, что в процессе поиска ОИ его диаграмма обратного рассеяния (ДОР) полагается изотропной, что на практике не выполняется. Это снижает возможности по применению указанного способа самофукусирования в существующих РК.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности измерения радиолокационных характеристик объекта самофокусирующейся радиокамерой.

Решение поставленной задачи достигается тем, что разработан способ селекции опорного канала дальности, учитывающий возможность неизотропности диаграммы обратного рассеяния ОИ. Суть метода заключается в следующем.

Экспериментальные исследования показывают, что диаграммы обратного рассеяния фрагментов конструкций объектов с хорошей степенью точности могут быть описаны полиномом степени не выше второй. Поэтому измеренные амплитуды сигналов в каналах дальности аппроксимируются полиномами не выше второй степени. Степень и коэффициенты аппроксимирующего полинома для каждого канала дальности определяются методом наименьших квадратов по данным измерений амплитуд радиолокационного сигнала этого канала. Опорный канал дальности выбирается по глобальному минимуму суммы квадратов отклонений измеренных амплитуд от значений, определяемых аппроксимирующим полиномом в канале дальности.

Дальнейшие операции совпадают со стандартным способом самофокусирования.

Требование равенства амплитуд в приемных каналах говорит о том, что достаточно описать диаграмму обратного рассеяния полиномом нулевой степени и, следовательно, стандартный способ (прототип) является частным случаем способа, учитывающего диаграмму обратного рассеяния ОИ.

Задача определения диаграммы обратного рассеяния (ДОР) ОИ на фоне мешающих отражений сводится к тому, что по значениям вектора измеряемых амплитуд сигналов в приемных пунктах размерности N (N - число приемных пунктов в апертуре) необходимо определить вектор оценок амплитуд сигналов . Процесс измерений описывается операторным уравнением вида

где
A_δ= A+δA,

вектор измерений;
вектор (неизвестный) точных значений коэффициентов размерности M;
M - степень аппроксимирующего полинома;
вектор оцениваемых коэффициентов;
вектор ошибок измерений;
A_δ - возмущенная функциональная матрица связи, размерности (NxM);
A - функциональная матрица (неизвестная) связи;
матрица возмущений, вызванных несовпадением моделей истинной и реальной.

Полагается при этом, что ε_i и δ_ij - случайные величины с нулевыми математическими ожиданиями и известными корреляционными матрицами.

Классическое решение управления (1) по методу наименьших квадратов имеет вид
(2)
При заданных максимальных нормах вектора ошибки и матрицы возмущения норма ошибки решения (2) max удовлетворяет следующему неравенству:

- число обусловленности матрицы
S_max, S_min - максимальное и минимальное сингулярные числа матрицы при этом учтено, что

Учитывая вышеизложенное, максимально возможная относительная ошибка решения (2) может быть определена следующим образом:

Дисперсия оценок компонент матрицы определяется диагональными элементами матрицы R_x:

Так как
то в качестве обобщенной величины, характеризующей суммарную дисперсию, может выступать сумма диагональных элементов - след матрицы, при условии, что элементы вектора ошибок некоррелированы и имеют равные дисперсии σ2ε

Структура матрицы A определяется коэффициентами полинома, которым может быть описана диаграмма обратного рассеяния ОИ. Степень полинома может быть определена на основании анализа сингулярных чисел матрицы (A^T•A), с учетом того, что степень полинома не выше второй. В качестве пороговой величины при определении степени аппроксимирующего полинома можно использовать минимальное сингулярное число матрицы (A^T•A). С учетом разрядной сетки ЭВМ минимальное сингулярное число имеет значение S_пф≈10^-6. Таким образом, ранг матрицы A (количество коэффициентов полинома, описывающего диаграмму обратного рассеяния ОИ) будет определятся количеством сингулярных чисел, значения которых выше порогового S_пф.

По вычисленным, согласно (2), коэффициентам полинома получим оценку амплитуд сигналов в приемных пунктах для каждого m-го канала дальности:

Алгоритм селекции опорного канала дальности заключается в поиске канала, для которого имеет минимальное значение величина

где
N - число приемных пунктов РК;
m - номер канала дальности.

После селекции опорного канала дальности производится фокусирование ОИ. Дальнейшие операции совпадают с обычным способом (прототипом) самофокусиравания. В процесс обработки результатов измерений вводится этап предварительной оценки возможностей селекции ОИ на объекте. Он включает в себя анализ априорных сведений о конструкции объекта, возможной его ориентации и, как следствие, вывод о размерах, примерных координатах на объекте опорного фрагмента, а также возможной ДОР.

Внедрение разработанного способа самофокусирования не требует, в общем случае, изменений в принципах построения и структуре системы измерения (радиокамеры). Изменения относятся к этапу обработки радиолокационных сигналов.

Источники информации
1. Стайнберг Б.Д. Формирование радиолокационного изображения самолета в диапазоне СВЧ //ТИИЭР. 1988. Т.76, N12. с. 26-46.

2. Steinberg B.D. Radar imaging from a distorted array: The radio camera algoritm and experiment // IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. Ap. - 29, pp. 740-748, Sept. 1981.

3. Steinberg B. D. Mikrowave Imaging with Large Antenna Arrays: Radio Camera Principals and Technigues. New York: Wiley, 1983.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности, к системам получения радиолокационных изображений объектов. Системы предназначенные для решения этой задачи иногда называют радиокамерами (РК). Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности измерения радиолокационных характеристик объекта самофокусирующей радиокамерой. Решение поставленной задачи достигается тем, что разработанный модифицированный способ селекции опорного канала дальности позволяет учитывать возможность неизотропности диаграммы обратного рассеяния опорного источника. Опорный канал дальности выбирается по глобальному минимуму суммы квадратов отклонений измеренных амплитуд от значений, определяемых аппроксимирующим полиномом в канале дальности.

Способ самофокусирования радиокамеры, включающей измерение амплитуды и фазы сигнала в приемных пунктах радиокамеры, поиск канала дальности, в котором имеется источник опорного сигнала, вычитание из значений фазы сигнала, принимаемого каждым приемным пунктом радиокамеры, фазы сигнала, принимаемого от опорного источника, отличающийся тем, что измененные амплитуды сигналов в каналах дальности аппроксимируют полиномами не выше второй степени, затем опорный канал дальности выбирают по глобальному минимуму суммы квадратов отклонений измеренных амплитуд от значений, определяемых аппроксимирующим полиномом в выбранном канале дальности, а степень и коэффициенты аппроксимирующего полимера для каждого канала дальности определяют предварительно методом наименьших квадратов по данным измерений амплитуд радиолокационного сигнала этого канала.