СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ В РАССЕИВАЮЩИХ СРЕДАХ ДО ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ ИМПУЛЬСНО-МОДУЛИРОВАННЫХ КОЛЕБАНИЙ И ПАССИВНЫЙ РАДИОДАЛЬНОМЕР Российский патент 2001 года по МПК G01S13/08 G01S11/04 

Изобретения относятся к пассивной дальнометрии источников излучения импульсно-модулированных колебаний в рассеивающих средах. Могут использоваться в навигационных целях.

Основным способом значительного количества устройств пассивного измерения расстояния до источников излучения колебаний является способ оценки расстояния по кривизне волнового фронта [1, 2]. Наиболее близкими по технической сущности и достигаемым результатам к рассматриваемым изобретениям являются способ измерения дальности до источника излучения в пассивной радиолокации и реализующая его дальномерная система [2]. Способ в основе своей заключается в приеме излучаемых колебаний разнесенными в пространстве на некоторое расстояние (называемое "базой") первой и второй антеннами, усилении колебаний, их детектировании и вычислении дальности до источника излучения по соответствующей формуле, учитывающей кривизну волнового фронта.

Реализующее этот способ известное устройство - пассивная дальномерная система [2] , в основе своей содержит две антенны, приемники, детекторы и всегда имеющийся в устройствах индикатор.

Недостатки способа и известного устройства [2] появляются при их использовании в рассеивающих средах. Возникающие в месте приема на трассах с рассеянием искажения сферичности фазового фронта (например в условиях дальнего тропосферного распространения УКВ) приводят к возрастанию ошибок в оценке дальности и, как следствие, ограничению максимально возможных измеряемых расстояний. Особенно существенным это оказывается при необходимости уменьшения базы до размеров общей апертуры обеих антенн и обеспечения, таким образом, квазиоднопозиционного измерения расстояния до источника излучения. Можно показать, что в этом случае максимально измеряемые расстояния ограничиваются ближней зоной приемной апертуры, далее которой известные способ и устройство оказываются неработоспособными.

Рассматриваемый способ измерения расстояния до источника излучения импульсно-модулированных колебаний в рассеивающих средах направлен на повышение точности однопозиционного измерения расстояния до источника на трассах, на которых по той или иной причине существует рассеяние колебаний.

Это оказалось возможным в результате исследования особенностей формирования в таких условиях поля в месте приема в период образования импульсного сигнала и установления на этой основе аналитической связи расстояния до источника с дополнительно измеряемыми параметрами сигнала. К таким параметрам относятся одновременно измеренные в месте приема мгновенное значение ширины углового спектра рассеянных средой волн и скорость его расширения. Скорость распространения колебаний в среде предполагается известной.

Таким образом, наряду с приемом антенной (в известном способе [2]) излучаемого импульсно-модулированного колебания, его усиления и детектирования, дополнительно, в процессе формирования импульса, одновременно измеряют ширину углового спектра рассеянных средой волн и скорость расширения этого спектра, а расстояние до источника излучения определяют отношением учетверенной известной скорости распространения колебаний в среде к произведению измеренной ширины углового спектра рассеянных средой волн на измеренную скорость расширения этого спектра по формуле D = 4c/γV, где D - расстояние до источника излучения; c - известная скорость распространения колебаний в среде; γ - измеренная ширина углового спектра рассеянных средой волн; V - измеренная скорость расширения углового спектра.

Пассивный радиодальномер позволяет (по сравнению с известным пассивным дальномером [2]) повысить точность однопозиционного моноимпульсного измерения расстояния до источника излучения импульсно-модулированных колебаний в рассеивающих средах за границами ближней зоны приемной апертуры, где квазиоднопозиционные измерения расстояния, основанные на кривизне волнового фронта, оказываются практически неприемлемыми.

Для этого в радиодальномере потребовалось решить задачу практически мгновенного одновременного измерения ширины углового спектра рассеянных средой волн и скорости его расширения. Поэтому в радиодальномере, содержащем антенну и индикатор, антенна выполнена с тремя выходами и с тремя одинаковыми диаграммами направленности, из которых первая и третья диаграммы направленности симметрично отвернуты относительно второй, средней, диаграммы направленности на величину углового разнесения. Кроме этого введены три логарифмических приемника, каждый из которых подключен к соответствующему выходу антенны, четыре вычитателя, два делителя, два квадратора, вычислитель квадратного корня, дифференциатор и умножитель. Причем первый вычитатель включен между выходами первого и второго логарифмических приемников, а второй вычитатель - между выходами второго и третьего логарифмических приемников. Выходы первого и второго вычитателей соединены с входами третьего вычитателя, выход которого подключен к второму входу делителя. Вход значения углового разнесения диаграмм направленности через первый квадратор соединен с первым входом первого делителя, выход которого подключен к первому входу четвертого вычитателя. Вход значения ширины диаграмм направленности через второй квадратор соединен с вторым входом четвертого вычитателя, выход которого через вычислитель квадратного корня подключен к первому входу умножителя и входу дифференциатора. Выход дифференциатора подключен к второму входу умножителя, выход которого соединен со вторым входом второго делителя. Вход значения скорости распространения радиоволн подключен к первому входу второго делителя, выход которого соединен с индикатором.

Пояснение сущности однопозиционного способа измерения расстояния до источника излучения импульсно-модулированных колебаний производится на фиг. 1, где представлена геометрическая картина трассы распространения колебаний в рассеивающей среде.

Представленный на фиг. 1 вид геометрического изображения трассы с рассеянием в горизонтальной плоскости, используется обычно тогда, когда ее протяженность много больше поперечных размеров, определяемых максимально возможным поперечным размером эффективного рассеивающего объема (аналогично тому, как это делается, например, в [3], с. 182, рис.32 для представления трассы в вертикальной плоскости). Точка A на фиг. 1 - точка расположения источника излучения импульсно-модулированных колебаний, точка B - точка расположения пассивного радиодальномера.

Пространственно-временной процесс образования импульсного сигнала в месте приема можно описать следующим образом. В момент прихода начала импульса в точку B поле в месте приема определяется волной пришедшей по кратчайшему пути AB. В этот момент в месте приема имеется единственная плоская волна, которая определяет, естественно, и нулевое значение ширины (γ) углового спектра рассеянных средой волн. По мере увеличения времени от начала импульса в образовании поля в месте приема участвуют все более и более его запаздывающие компоненты, образованные все более удаленными от прямой AB рассеивателями трассы. Подобное расширение эффективного объема рассеяния (т.е. увеличение CF на фиг. 1) означает и возрастание ширины углового спектра поля γ . Следующее из треугольника ACO текущее значение, поперечного трассе линейного размера (H = CF) объема рассеяния составит

где τ - время, отсчитываемое от момента излучения импульса.

Для получения необходимой связи τ и γ(τ) из фиг. 1 с учетом малости γ, найдем

откуда

После использования здесь разложения бинома Ньютона (ввиду малости γ²(τ)/4 по сравнению с единицей) связь времени, прошедшего от начала импульса, с шириной углового спектра определится более простым соотношением

Отсюда значения для угловой ширины γ(τ) и угловой скорости V (τ) расширения углового спектра определятся равенствами,


Произведение (1) на (2) позволяет получить γ(τ)V(τ) = 4c/D, откуда искомый моноимпульсный алгоритм однопозиционной оценки расстояния до источника может быть записан в виде отношения учетверенной известной скорости распространения колебаний в среде к произведению одновременно измеренных ширины углового спектра рассеянных средой волн (γ) на скорость (V) расширения этого спектра,
D = 4c/γV. (3)
Аргументы в γ(τ) и V(τ) в (3) опущены ввиду одновременности их измерения.

Таким образом, для измерения расстояния до источника излучения импульсно-модулированных колебаний необходимо принять и усилить сигнал, продетектировать колебания, одновременно оценить ширину (γ) углового спектра рассеянных средой волн и скорость (V) его расширения и затем вычислить расстояние по формуле (3).

Основным преимуществом этого способа является возможность однопозиционного измерения расстояния до источника излучения в рассеивающих средах, т. е. в таких условиях, которые оказываются серьезным ограничением использования известных квазиоднопозиционных способов и устройств оценки расстояния по кривизне волнового фронта.

Пояснение сущности пассивного радиодальномера производится его структурной схемой, изображенной на фиг. 2.

Пассивный радиодальномер содержит антенну 1 с тремя выходами и с тремя одинаковыми, разнесенными по углу диаграммами направленности, из которых первая и третья диаграммы направленности симметрично отвернуты относительно второй - средней диаграммы направленности на величину углового разнесения, три логарифмических приемника 2, 3 и 4, первый 5, второй 6 и третий 7 вычитатели, первый квадратор 8, делитель 9, второй квадратор 10, четвертый вычитатель 11, вычислитель 12 квадратного корня, дифференциатор 13, умножитель 14, второй делитель 15 и индикатор 16.

Антенна 1 имеет три одинаковые диаграммы направленности, из которых первая и третья симметрично отвернуты относительно второй - средней диаграммы направленности на величину углового разнесения

где f_i (α;α_i) - диаграммы направленности радиодальномера;
i - номер диаграммы направленности (канала);
α - текущее значение угла, отсчитываемое от направления AB (источник-радиодальномер);
α_i - угловое положение максимумов диаграмм направленности относительно направления AB;
θ - ширина каждой диаграммы направленности на уровне 3 дБ от максимума.

Для гауссовского в среднем углового спектра рассеянных волн S(α) можно записать

где γ - подлежащая измерению ширина углового спектра на уровне 3 дБ от максимума.

С точностью до множителя одинакового для всех каналов, амплитуды (U_i) на выходах антенны пропорциональны

Тогда для разностей логарифмов амплитуд между первым - вторым и вторым - третьим (Δ_2,3) выходами антенны, имеем


где α_p = α₁-α₂ = α₂-α₃ - угловое разнесение диаграмм направленности.

Из образуемой далее разности разностей амплитуд

и следует алгоритм оценки ширины углового спектра

В целом работу пассивного радиодальномера можно объяснить следующим образом.

Элементы 1-12 радиодальномера обеспечивают измерение ширины углового спектра рассеянных средой волн γ. Элементы 12-15 осуществляют выполнение операций по формуле (3). Импульсно-модулированные колебания с выходов антенны 1 усиливаются, логарифмируются и детектируются в логарифмических приемниках 2, 3, 4 и далее в вычитателях 5, 6 огибающие колебаний вычитаются. При этом амплитуда разностного сигнала Δ_1,2, образующаяся в соответствии с (4) на выходе вычитателя 5, пропорциональна разности логарифмов амплитуд, имеющихся на первом и втором выходах антенны, а разностная амплитуда Δ_2,3, образующаяся в соответствии с (5) на выходе вычитателя 6, пропорциональна разности логарифмов амплитуд, имеющихся на втором и третьем выходах антенны. Далее разностные амплитуды Δ_1,2и Δ_2,3 вычитаются в вычитателе 7, на выходе которого в соответствии с (6) формируется разностная амплитуда δ. На вход квадратора 8 вводится значение углового разнесения диаграмм направленности α_p, а на вход квадратора 10 вводится значение ширины диаграмм направленности θ. В делителе 9 поступающее на его первый вход значение квадрата углового разнесения α2p

с коэффициентом передачи, равным 24-м, делится на значение разностной амплитуды δ, имеющееся на втором входе первого делителя. В результате на выходе первого делителя 9 образуется значение частного 24α2p/δ, которое подается на первый вход четвертого вычитателя 11. На его второй вход с выхода второго квадратора 10 поступает значение квадрата ширины диаграмм направленности θ². В результате вычитания и извлечения квадратного корня в вычислителе 12, на его выходе в соответствии с алгоритмом (7) формируется существующее в данный момент значение ширины углового спектра γ. Далее, значение ширины углового спектра поступает на дифференциатор 13, на выходе которого образуется значение скорости расширения спектра V. Это значение в умножителе 14 перемножается с шириной спектра γ. Результат перемножения (γV) поступает на второй вход второго делителя 15. На первый вход этого делителя подается значение скорости распространения волн с, которое с коэффициентом пропорциональности, равным 4-м, делится на γV и образует таким образом на своем выходе в соответствии с (3) оценку расстояния до источника излучения, которая отображается на индикаторе 16.

Основными достоинствами пассивного радиодальномера являются высокое быстродействие (моноимпульсность), действительная однопозиционность и возможность оценки расстояния до источника излучения импульсно-модулированных колебаний в рассеивающих средах на больших дальностях, значительно превышающих пределы ближней зоны приемной апертуры, где квазиоднопозиционные измерения расстояния, основанные на кривизне волнового фронта, оказываются неприемлемыми.

Источники информации
1. Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д.Ширмана. М.: Сов. радио, 1970, с. 494-497.

2. Николаев А.Г., Перцов С.В. Радиотеплолокация, М., Сов. радио, 1964, с. 157, 158, рис. 3.24 (прототип).

3. Татарский В. И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967, с. 182, рис. 32.

Достигаемым техническим результатом изобретения являются высокое быстродействие (моноимпульсность), действительная однопозиционность и возможность оценки расстояния до источника излучения импульсно-модулированных колебаний в рассеивающих средах на больших дальностях, значительно превышающих пределы ближней зоны приемной апертуры, где квазиоднопозиционные измерения расстояния, основанные на кривизне волнового фона, оказываются неприемлемыми. Сущность изобретения: излучаемый импульс принимают, усиливают, детектируют, одновременно измеряют ширину углового спектра рассеянных средой волн и скорость расширения этого спектра, а расстояние до источника излучения определяют отношением учетверенной известной скорости распространения колебаний в среде к произведению измеренной ширины углового спектра рассеянных средой волн на измеренную скорость расширения этого спектра по формуле D = 4c/γV, где D - расстояние до источника излучения; с - известная скорость распространения колебаний в среде; γ- измеренная ширина углового спектра рассеянных средой волн; V - измеренная скорость расширения углового спектра. Пассивный радиодальномер, обеспечивающий измерение расстояния в соответствии с вышеизложенным способом, содержит антенну, выполненную с тремя выходами и с тремя одинаковыми диаграммами направленности, из которых первая и третья диаграммы направленности симметрично отвернуты относительно второй, средней, диаграммы направленности на величину углового разнесения, три логарифмических приемника, каждый из которых подключен к соответствующему выходу антенны, четыре вычитателя, два делителя, два квадратора, вычислитель квадратного корня, дифференциатор и умножитель. Причем первый вычитатель включен между выходами первого и второго логарифмических приемников, а второй вычитатель - между выходами второго и третьего логарифмических приемников. Выходы первого и второго вычитателей соединены с входами третьего вычитателя, выход которого подключен к второму входу делителя. Вход значения углового разнесения диаграмм направленности через первый квадратор соединен с первым входом первого делителя, выход которого подключен к первому входу четвертого вычитателя. Вход значения ширины диаграмм направленности через второй квадратор соединен с вторым входом четвертого вычитателя, выход которого через вычислитель квадратного корня подключен к первому входу умножителя и входу дифференциатора. Выход дифференциатора подключен к второму входу умножителя, выход которого соединен с вторым входом второго делителя. Вход значения скорости распространения радиоволн подключен к первому входу второго делителя, выход которого соединен с индикатором. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

1. Способ измерения расстояния в рассеивающих средах до источника излучения импульсно-модулированных колебаний, заключающийся в приеме антенной излучаемого импульсно-модулированного колебания, его усилении и детектировании, отличающийся тем, что дополнительно одновременно измеряют ширину углового спектра рассеянных средой волн и скорость расширения этого спектра, а расстояние до источника излучения определяют отношением учетверенной известной скорости распространения колебаний в среде к произведению измеренной ширины углового спектра рассеянных средой волн на измеренную скорость расширения этого спектра по формуле D = 4c/γV,
где D - расстояние до источника излучения; с - известная скорость распространения колебаний в среде; γ - измеренная ширина углового спектра рассеянных средой волн; V - измеренная скорость расширения углового спектра. 2. Пассивный радиодальномер, содержащий антенну и индикатор, отличающийся тем, что антенна выполнена с тремя выходами и с тремя одинаковыми диаграммами направленности, из которых первая и третья диаграммы направленности симметрично отвернуты относительно второй, средней, диаграммы направленности на величину углового разнесения, а также введены три логарифмических приемника, каждый из которых подключен к соответствующему выходу антенны, четыре вычитателя, два делителя, два квадратора, вычислитель квадратного корня, дифференциатор и умножитель, причем, первый вычитатель включен между выходами первого и второго логарифмических приемников, а второй вычитатель - между выходами второго и третьего приемников, выходы первого и второго вычитателей соединены с входами третьего вычитателя, выход которого подключен к второму входу первого делителя, вход значения углового разнесения диаграмм направленности через первый квадратор соединен с первым входом первого делителя, выход которого подключен к первому входу четвертого вычитателя, вход значения ширины диаграмм направленности через второй квадратор соединен с вторым входом четвертого вычитателя, выход которого через вычислитель квадратного корня подключен к первому входу умножителя и входу дифференциатора, выход дифференциатора подключен к второму входу умножителя, выход которого соединен с вторым входом второго делителя, вход значения скорости распространения радиоволн подключен к первому входу второго делителя, выход которого соединен с индикатором.