СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ КОНТРАСТОВ ЦЕЛЕЙ И РАДИОМЕТР ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2006 года по МПК G01S13/88 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотеплолокации и может быть использовано для поиска и сопровождения радиометрических целей.

Различные объекты (цели) в силу отличия своих поглощающих и отражающих свойств, а также угловых размеров будут создавать тепловое излучение различной мощности и могут быть классифицированы по ряду параметров, что позволяет проводить их выделение на однородном и неоднородном фоне. Первостепенное значение для решения этой задачи имеет разрешающая способность радиометрической системы по угловой координате.

Угловое разрешение радиометрических систем обычно определяется шириной диаграммы направленности антенны (ДНА) и ограничивается допустимыми габаритами антенны при размещении ее на борту летательного аппарата. Повышение углового разрешения радиометрических систем является актуальной задачей как для гражданского, так и военного применения.

Наиболее широкое распространение для получения радиометрических изображений получил способ, основанный на радиометрическом приемнике Дикке [1, стр.267], вход которого попеременно подключается к выходу антенны и к эталонной нагрузке с температурой Т_Э. Угловая разрешающая способность такого радиометра при сканировании в одной плоскости будет определяться шириной пространственного спектра ДНА в этой плоскости. С помощью такого же радиометра можно осуществить слежение в одной плоскости за малоразмерной целью. Для этого можно использовать две антенны с ДНА, равноотклоненными от равносигнального направления, либо использовать моноимпульсную антенную систему амплитудного типа [1, стр.19] и подключать вход приемника поочередно к ее выходам (парциальным каналам).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению оказывается радиометр, описанный в [2], содержащий два переключателя, с помощью которых на вход приемника попеременно могут подключаться три радиотепловых источника с различными температурами. Два синхронных детектора на выходе приемника позволяют при этом получать в качестве выходных сигналов радиометра различные линейные комбинации сигналов, пропорциональных указанным температурам. Если к 1- и 2-му входам подключить антенны с ДНА, равноотклоненными от равносигнального направления, а на 3-й вход подключить согласованную нагрузку с эталонной температурой, то в этом случае закон переключения сигналов с выходов антенн и нагрузки на вход приемника и демодуляции усиленных сигналов в синхронных детекторах позволяет получить: на выходе первого синхронного детектора сигнал V₁, пропорциональный [Т₁-0,5(Т₂+Т_Э)]; на выходе второго синхронного детектора сигнал V₂, пропорциональный 0,5(Т₂-Т_Э), где Т₁, Т₂ и Т_Э - шумовые температуры 1- и 2-й антенн и эталонной нагрузки соответственно. Дальнейшая суммарно-разностная обработка напряжений V₁ и V₂ позволяет получать сигналы Z₁ и Z₂, пропорциональные (Т₁-T₂) и (Т₁-Т_Э), первый из которых можно использовать для сопровождения цели, а второй для обнаружения цели при сканировании.

Недостатком этого радиометра является ограниченность угловой разрешающей способности, обусловленная раскрывом антенны. Т.е. угловая разрешающая способность по критерию Релея определяется шириной пространственного спектра одного луча ДНА. Кроме того, в режиме сканирования использованный способ переключения каналов и синхронного детектирования ухудшает в два раза чувствительность по сравнению с одноканальным модуляционным радиометром. То же самое можно сказать о способе формирования сигнала Z₁, используемого для сопровождения цели, который формируется путем вычитания сигналов с выходов синхронных детекторов. Такой способ является явно неоптимальным с точки зрения минимизации флюктуационной ошибки, т.к. при вычитании происходит суммирование дисперсий независимых шумовых составляющих сигналов.

Целью предлагаемого изобретения является улучшение разрешающей способности при измерении радиометрических контрастов по угловой координате и уменьшение флюктуационных ошибок.

Заявленная цель достигается тем, что в способе измерения радиометрических контрастов, включающем пространственно селектированный по угловой координате прием радиотепловых излучений, в результате которого образуется первый принятый радиотепловой сигнал, соответствующий первой антенной температуре, и второй принятый радиотепловой сигнал, соответствующий второй антенной температуре, поочередный перенос на промежуточную частоту первого и второго радиотепловых сигналов, усиление на промежуточной частоте, квадратичное детектирование, усиление на низкой частоте и синхронное детектирование; согласно изобретению второй принятый радиотепловой сигнал формируется второй диаграммой направленности, образуемой на том же раскрыве антенны, что и первая диаграмма направленности, причем первая и вторая диаграммы направленности при равносигнальном направлении перекрываются на уровне 0,5 принимаемой мощности, при этом в режиме сканирования второй принятый радиотепловой сигнал ослабляется относительно первого в 2 раза таким образом, что соответствует при этом полусумме второй антенной температуры и эталонной температуры, равной термодинамической температуре поглотителя, ослабляющего сигнал, сигнал с выхода синхронного детектора, соответствующий разности между первой антенной температурой и полусуммой второй антенной температуры с эталонной температурой, оцифровывается и запоминается в виде вектора отсчетов Y, размерностью М, взятых эквидистантно через временной интервал Δt, соответствующий углу поворота сканирующей антенны Δβ=ωβ·Δt, М=Δβ_c/Δβ, где ω_β - скорость сканирования, Δβ_c - диапазон сканирования, а вектор отсчетов искомого распределения по угловой координате с интервалом Δβ радиометрических контрастов относительно эталонной температуры вычисляется по формуле

где - искомый вектор размерностью N=(Δβ_c+Δβ_A)/Δβ, Δβ_A - дополнительный диапазон оценивания, обусловленный шириной первой и второй диаграмм направленности;

- матрица оператора оценивания размерностью N×М с действительными коэффициентами,

G=G1-0.5·G2 - матрица аппаратной функции, где G1 и G2 - матрицы, элементы которых G1_{m, n}=С1(m·Δt, n·Δβ) и G2_{m, n}=G2(m·Δt, n·Δβ) являются эквидистантными отсчетами первой G1(t, β) и второй G2(t, β) сканирующей диаграммы направленности, при этом диаграммы нормируются так, что выполняется условие

G^T - транспонированная матрица G,

Е - единичная матрица размерностью N×N,

- регуляризирующий множитель, δT - приведенная чувствительность радиометрического приемника, - ожидаемая дисперсия измеряемых радиометрических контрастов.

В режиме сопровождения цели второй принятый радиотепловой сигнал берется без ослабления, а ошибка рассогласования, управляющая положением равносигнального направления, образуется после синхронного детектирования.

Заявленная цель достигается также тем, что в известный радиометр, содержащий привод антенной системы, последовательно соединенные переключатель, смеситель, усилитель промежуточной частоты, квадратичный детектор, усилитель низкой частоты, синхронный детектор, при этом ко второму входу смесителя подключен гетеродин, дополнительно вводятся управляемый аттенюатор, выход которого связан со вторым входом переключателя, моноимпульсная антенная система амплитудного типа, первый выход которой соединен с первым входом переключателя, а второй выход соединен с первым входом управляемого аттенюатора, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), первый вход которого соединен с выходом синхронного детектора, и вычислитель, вход которого соединен с выходом АЦП, первый выход вычислителя связан со вторым входом управляемого аттенюатора, второй выход вычислителя соединен с третьим входом переключателя и вторым входом синхронного детектора, третий выход вычислителя связан со вторым входом АЦП и четвертый выход вычислителя соединен с приводом антенной системы, который в свою очередь кинематически связан с моноимпульсной антенной системой амплитудного типа.

Сущность изобретения поясняется дальнейшим описанием, чертежами и диаграммами.

Фиг.1 - структурная схема радиометра.

Фиг.2 - временные диаграммы синхронизирующих сигналов на выходе вычислителя.

Фиг.3 - алгоритм работы вычислителя.

Фиг.4 - диаграммы направленности радиометра в режимах сканирования и сопровождения.

Фиг.5 - усредненная ошибка оценивания спектральных составляющих.

На фиг.1 представлена структурная схема радиометра, на которой приняты следующие обозначения:

1 - моноимпульсная антенная система (MAC);

2 - переключатель (П);

3 - смеситель (СМ);

4 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ);

5 - квадратичный детектор (КВД);

6 - усилитель низкой частоты (УНЧ);

7 - управляемый аттенюатор (УА);

8 - гетеродин (Гет);

9 - привод антенной системы (ПАС);

10 - синхронный детектор (СД);

11 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

12 - вычислитель (ВУ).

На схеме радиометра (фиг.1): первый выход 2-лучевой моноимпульсной антенной системы амплитудного типа 1 через последовательно соединенные переключатель 2, смеситель 3, усилитель промежуточной частоты 4, квадратичный детектор 5, усилитель низкой частоты 6 соединен с первым входом синхронного детектора 10; второй выход моноимпульсной антенной системы амплитудного типа 1 через управляемый аттенюатор 7 соединен со вторым входом переключателя 2; выход гетеродина 8 соединен со вторым входом смесителя 3; выход синхронного детектора 10 через АЦП 11 соединен с вычислителем 12; выход привода антенной системы 9 кинематически связан с моноимпульсной антенной системой амплитудного типа 1; первый выход вычислителя 12 соединен со вторым входом управляемого аттенюатора 7; второй выход вычислителя 12 соединен с третьим входом переключателя 2 и вторым входом синхронного детектора 10; третий выход вычислителя 12 соединен со вторым входом АЦП 11; четвертый выход вычислителя 12 соединен с приводом антенной системы 9.

Радиотепловой сигнал, формируемой первой диаграммой направленности MAC, поступает на первый вход переключателя и соответствует первой антенной температуре Т_A1. Сигнал, формируемый второй диаграммой, перед тем как поступить на переключатель, проходит через управляемый аттенюатор, на выходе которого он будет соответствовать температуре T₂=Т_A2·k+Т_Э(1-k), где T_A2 - вторая антенная температура, k - коэффициент затухания аттенюатора, Т_Э - эталонная температура, равная термодинамической температуре аттенюатора. Таким образом, при k=0,5 второй радиотепловой сигнал на входе переключателя будет соответствовать полусумме эталонной и второй антенной температур. В режиме сопровождения цели k=1, и оба радиотепловых сигнала на входах переключателя соответствуют антенным температурам. В остальном структура радиометра не отличается от традиционной структуры модуляционного радиометра.

На фиг.2 представлены временные диаграммы синхронизирующих сигналов на выходе вычислителя.

13 - прямоугольные импульсы переменной полярности с периодом Т_П на втором выходе вычислителя 12, предназначенные для модуляции принимаемых сигналов на переключателе 2 и для работы синхронного детектора 10 с частотой переключения . Частота переключения должна быть достаточно высокой, чтобы не искажать результат сканирования, для этого должно выполняться условие

где ω_β - скорость сканирования по углу β; Δβ_А - ширина ДНА (парциального луча).

В свою очередь УНЧ не должен искажать модулированный сигнал, поэтому верхняя частота полосы пропускания УНЧ F_УНЧ должна отвечать условию

14 - постоянный уровень сигнала на первом выходе вычислителя 12, предназначенный для долговременной установки управляемого аттенюатора 7 в положение, отключающее ослабление для сигнала, поступающего со второго выхода моноимпульсной антенной системы 1 на переключатель 2 через управляемый аттенюатор в режиме слежения за целью;

15 - импульсы с периодом Т_д на третьем выходе вычислителя 13, предназначенные для тактирования АЦП 11. Частота дискретизации f_д=1/Т_д должна отвечать условию

Работа радиометра (фиг.1) координируется вычислителем 12 и происходит в соответствии с алгоритмом работы вычислителя фиг.3 в следующей последовательности.

16 - вычислитель 12 подачей соответствующей команды на привод антенной системы 9 устанавливает ее в исходное положение сканирования.

17 - производится сканирование в заданном диапазоне углов β, при этом оцифровывается сигнал с выхода синхронного детектора 10. Для формирования вектора Y в вычислителе 12 производится децимация отсчетов, поступающих с аналого-цифрового преобразователя 11. Эта операция не является принципиальной, однако позволяет значительно сократить объем вычислений по формуле (1). Без децимации размерность вектора Y будет определяться частотой f_д, которая ограничивается снизу условиями (2)...(4). Децимация (определение компонент вектора Y) производится по следующей формуле

где m=1...М - номер компоненты вектора Y; V_k - k-тый отсчет сигнала на выходе аналого-цифрового преобразователя 12, k=1...K - номер отсчета; r - индекс децимации, выбираемый из условия

Таким образом децимированные отсчеты Y_m получаются через временные интервалы Δt=r/f_д.

Полученные в результате децимации компоненты вектора Y запоминаются.

18 - в вычислителе 12 производится вычисление по формуле (1) отсчетов искомого распределения по угловой координате радиотепловых контрастов.

Оператор оценивания R, рассчитываемый по формуле (2), позволяет при оценке радиометрических контрастов по формуле (1) реализовать потенциальную разрешающую способность по угловой координате радиометра с моноимпульсной антенной системой в режиме сканирования. При этом радиометрические контрасты вычисляются относительно эталонной температуры, которая равна термодинамической температуре поглотителя (управляемого аттенюатора 7), ослабляющего второй принятый радиотепловой сигнал относительно первого.

Компоненты матрицы оператора оценивания R могут быть получены с помощью различных критериев. При расчете R по (2) используется статистический критерий минимизации среднего квадрата ошибки оценивания и предполагается, что отсчеты радиометрического рельефа дельта-коррелированы между собой и не коррелированы с шумом [3, стр.235]. Такой подход имеет ряд преимуществ. По сравнению, например, с согласованной фильтрацией оператор оценивания R позволяет учесть изменение формы диаграммы направленности в процессе сканирования и дает больший диапазон восстанавливаемых контрастов по угловой координате. Очевидно также, что при использовании парциальных каналов моноимпульсной антенной системы восстановление радиометрических контрастов путем сглаживания шумов низкочастотной фильтрацией или интегрированием даст искаженную картину.

Нормирование диаграмм направленности для выполнения условия (3) не обязательно, если формы диаграмм направленности в процессе сканирования отличаются только сдвигом по углу.

19 - решение задачи обнаружения цели. Обнаружение целей может производиться по различным критериям. Например, температура цели может быть больше или меньше температуры фона. Может играть роль также угловое распределение температуры.

20 - вычислитель 12 анализирует обнаружение цели. В отсутствии цели вычислитель подачей соответствующей команды на привод антенной системы 9 устанавливает ее в исходное положение для повторного сканирования, а при обнаружении цели вычислитель переходит в режим сопровождения.

21 - производится сопровождение цели, при этом с вычислителя 12 на управляемый аттенюатор 7 подается постоянный уровень сигнала, предназначенный для установки аттенюатора в положение, отключающее ослабление для сигнала, поступающего со второго выхода моноимпульсной антенной системы 1 на переключатель 2. С выхода аналого-цифрового преобразователя 11 на вычислитель подается оцифрованный сигнал ошибки, в свою очередь сформированный в синхронном детекторе 11. Вычислитель формирует управляющий сигнал, подающийся затем на привод антенной системы 9 для установки антенной системы в положение нахождения цели на равносигнальном направлении.

При гауссовской аппроксимации парциальные диаграммы направленности моноимпульсной антенны и результирующие диаграммы в режиме сканирования и при сопровождении цели выглядят так, как показано на фиг.4. Под результирующей диаграммой в данном случае понимается получаемое при сканировании изображение точечной цели с положительным контрастом, представляющее собой сигнал на выходе синхронного детектора без шумовой составляющей в зависимости от угловой координаты β.

22 - первая парциальная диаграмма.

23 - вторая парциальная диаграмма.

24 - диаграмма направленности антенны в режиме сканирования описывается выражением

где G1(β), G2(β) - диаграммы направленности по мощности парциальных каналов моноимпульсной антенной системы амплитудного типа.

25 - диаграмма направленности антенны при сопровождении цели в момент времени t0 в свою очередь характеризуется выражением

Техническим преимуществом предлагаемого устройства перед прототипом [2] является повышение углового разрешения радиометра в режиме обзора. Достаточным критерием для такой оценки могут служить усредненные ошибки оценивания спектральных составляющих, приведенные на фиг.5. Можно показать, что дисперсии усредненных ошибок оценивания спектральных составляющих D_S определяются выражением

где J - матрица дискретного преобразования Фурье; J^н - сопряженная и транспонированная матрица J.

На фиг.5 усредненная ошибка оценивания спектральных составляющих построена при ширине ДНА парциального канала, равной 0,033 периода первой гармоники n=1, n - номер гармоники.

26 - усредненная ошибка оценивания спектральных составляющих радиометрического приемника Дикке [1] с ДНА, соответствующей парциальной.

27 - усредненная ошибка оценивания спектральных составляющих радиометра с моноимпульсной антенной системой.

Из фиг.5 видно, что для радиометра с моноимпульсной антенной системой характерен больший диапазон "малой ошибки" по частоте. Это позволяет предлагаемому радиометру иметь лучшую разрешающую способность, эквивалентную увеличению апертуры антенны в 1,4 раза.

Пользуясь сведениями, представленными в материалах заявки, предлагаемый радиометр может быть изготовлен по существующей, известной в радиопромышленности технологии, на базе известных комплектующих изделий и использован при работе на подвижных и неподвижных носителях.

ЛИТЕРАТУРА

1. Справочник по радиолокации. / Под ред. М.Сколника. Том 4. Радиолокационные станции и системы - М.: Советское радио, 1978.

2. Патент США №3466654 от 04.10.1967 г., кл. Н 04 B 7/00, G 01 S 13/90. Dual Channal Radiometer.

3. Сейдж Э., Меле Дж. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении. - М.: "Связь", 1976.

Предлагаемое изобретение относится к области радиотеплолокации и может быть использовано в радиометрических системах, предназначенных для поиска и сопровождения различных целей. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение углового разрешения и уменьшение флюктуационных ошибок радиометра в режиме обзора и сопровождения цели без увеличения апертуры антенны. Для достижения указанного результата применяется моноимпульсная антенная система амплитудного типа, позволяющая сформировать два приемных канала. Соответствующая обработка сигналов этих каналов дает возможность получить результирующее угловое разрешение в режиме сканирования, эквивалентное увеличению апертуры антенны в 1,4 раза. Моноимпульсная антенная система позволяет также осуществлять сопровождение малоразмерных целей. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ измерения радиометрических контрастов целей, включающий пространственно селектированный по угловой координате прием радиотепловых излучений, в результате которого образуется первый принятый радиотепловой сигнал, соответствующий первой антенной температуре, и второй принятый радиотепловой сигнал, соответствующий второй антенной температуре, поочередный перенос на промежуточную частоту первого и второго радиотеплового сигналов, усиление на промежуточной частоте, квадратичное детектирование, усиление на низкой частоте и синхронное детектирование, при этом второй принятый радиотепловой сигнал формируется второй диаграммой направленности, образуемой на том же раскрыве антенны, что и первая диаграмма направленности, причем первая и вторая диаграммы направленности при равносигнальном направлении перекрываются на уровне 0,5 принимаемой мощности, кроме того, в режиме сканирования второй принятый радиотепловой сигнал ослабляется относительно первого в два раза таким образом, что соответствует при этом полусумме второй антенной температуры и эталонной температуры, отличающийся тем, что сформированный в режиме сканирования в синхронном детекторе сигнал оцифровывается и вычисляются компоненты вектора Y сигнала в соответствии с формулой:

где m=1...М - номер компоненты вектора Y;

V_k - k-тый отсчет сигнала на выходе АЦП;

k=1...К - номер отсчета;

r - индекс отсчета, выбираемый из условия r≤(0,1÷0,2)·f_Д·Δβ_a/ω_β, где f_Д - частота дискретизации;

Δβ_a - ширина парциального луча диаграммы направленности;

ω_β - скорость сканирования по углу β,

полученные компоненты вектора Y запоминаются, затем производится вычисление вектора отсчетов искомого распределения по угловой координате радиометрических контрастов относительно эталонной температуры по формуле:

где R - матрица оператора оценивания радиометрических контрастов, элементы которой определяются эквидистантными отсчетами первой и второй сканирующей диаграммы направленности, при обнаружении цели по измеренным радиометрическим контрастам производится переход в режим ее сопровождения.