СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2006 года по МПК G01S13/04 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для обнаружения различных объектов, находящихся в зоне наблюдения.

Известны способы обнаружения объектов, заключающиеся в радиолокации искомых объектов "на просвет" с анализом принимаемого интерференционного сигнала, что реализуется путем излучения в зону наблюдения электромагнитного сигнала, приеме сигнала и принятии решения об обнаружении объекта в зоне наблюдения в результате анализа принятого интерференционного электромагнитного сигнала (см. патент РФ №2124220, МКИ G 01 S 13/06, приоритет от 29.10.1997 г., патент РФ №2133480, МКИ G 01 S 3/72, G 01 S 7/42, приоритет от 02.02.1998 г., патент РФ №2195683, МКИ G 01 S 3/72, G 01 S 3/74, приоритет от 28.12.2000 г.). Однако данные способы обнаружения объектов, во-первых, имеют помеховый фактор, обусловленный двойной дифракцией излученного электромагнитного сигнала на облучаемом объекте при распространении сигнала по пути излучатель - объект - рассеиватель - объект - приемник (учитывая радиолокацию "на просвет", такой рассеиватель, например тропосферный слой, должен быть расположен за предполагаемым местонахождением объекта относительно излучателя). Во-вторых, названные способы обнаружения объектов используют только бистатический вариант реализации, что влечет необходимость применения достаточно сложных схем построения разнесенных радиолокационных систем. В-третьих, используемые в названных способах алгоритмы, подразумевающие необходимость одновременного излучения двух различных сигналов, влекут техническую сложность исполнения как излучателя, так и приемника.

Известен и является наиболее близким по технической сущности способ обнаружения объекта "на просвет" (см. патент РФ №2145424, МКИ G 01 S 13/04, опубл. БИ №4, 2000, приоритет от 21.06.1999 г.), заключающийся в моностатической радиолокации объектов в зоне наблюдения путем облучения такой зоны первым электромагнитным сигналом при достоверном отсутствии объекта в зоне наблюдения, приеме и определении характеристик первого электромагнитного сигнала, отраженного от рассеивателя, расположенного за предполагаемым местонахождением объекта в зоне наблюдения, облучении зоны наблюдения вторым электромагнитным сигналом, которым производят текущее зондирование зоны наблюдения при неопределенности факта нахождения в ней объекта, приеме и сравнении характеристик принятого второго электромагнитного сигнала с характеристиками принятого первого электромагнитного сигнала, и в принятии решения об обнаружении объекта (при этом характеристики первого и второго электромагнитных сигналов совпадают при их излучении).

Недостатком данного способа обнаружения объекта является необходимость учета помехового фактора - двойной дифракции электромагнитного сигнала, возникающей в случае перемещения объекта в зоне наблюдения со скоростью меньшей, чем скорость распространения радиолокационного сигнала по участку объект - рассеиватель - объект. При этом излученный второй электромагнитный сигнал дважды проходит через объект (что влечет двойную дифракцию такого сигнала), что затрудняет радиолокационное обнаружение объекта названным способом.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является устранение помехового фактора, возникающего в процессе обнаружения объекта, обусловленного двойной дифракцией радиолокационного сигнала на искомом объекте.

Технический результат выражается в увеличении достоверности локации объектов за счет устранения помехового фактора (при анализе принятого сигнала), вызванного двойной дифракцией радиолокационного сигнала на искомом объекте.

Результат достигается в двух вариантах исполнения предложенного технического решения, связанных между собой единым изобретательским замыслом.

По первому варианту в способе обнаружения объекта, включающем облучение зоны наблюдения первым электромагнитным сигналом при достоверном отсутствии объекта в зоне наблюдения, прием и определение характеристик первого электромагнитного сигнала, отраженного от рассеивателя, расположенного за предполагаемым местонахождением объекта в зоне наблюдения, облучение зоны наблюдения вторым электромагнитным сигналом, которым производят текущее зондирование зоны наблюдения при неопределенности факта нахождения в ней объекта, прием и сравнение характеристик принятого второго электромагнитного сигнала с характеристиками принятого первого электромагнитного сигнала, и принятие решения об обнаружении объекта, причем характеристики первого и второго электромагнитных сигналов совпадают при их излучении, принимают отраженный от рассеивателя второй электромагнитный сигнал, который, в случае нахождения объекта в зоне наблюдения, дважды проходит через него - на пути распространения от излучателя до рассеивателя и от рассеивателя до приемника, при этом дважды дифрагируя на объекте, после чего производят сравнение характеристик принятого второго электромагнитного сигнала с характеристиками принятого первого электромагнитного сигнала путем сравнения дифракционно-интерференционной картины, определенной при приеме второго электромагнитного сигнала, с дифракционно-интерференционной картиной, определенной при приеме первого электромагнитного сигнала, и принимают решение об обнаружении объекта по изменению дифракционно-интерференционной картины, определенной при приеме второго электромагнитного сигнала, сравнительно с дифракционно-интерференционной картиной, определенной при приеме первого электромагнитного сигнала.

По второму варианту в способе обнаружения объекта, включающем облучение зоны наблюдения первым электромагнитным сигналом при достоверном отсутствии объекта в зоне наблюдения, прием и определение характеристик первого электромагнитного сигнала, отраженного от рассеивателя, расположенного за предполагаемым местонахождением объекта в зоне наблюдения, облучение зоны наблюдения вторым электромагнитным сигналом, которым производят текущее зондирование зоны наблюдения при неопределенности факта нахождения в ней объекта, прием и сравнение характеристик принятого второго электромагнитного сигнала с характеристиками принятого первого электромагнитного сигнала, и принятие решения об обнаружении объекта, причем характеристики первого и второго электромагнитных сигналов совпадают при их излучении, принимают отраженный от рассеивателя второй электромагнитный сигнал, который, в случае нахождения объекта в зоне наблюдения, дважды проходит через него - на пути распространения от излучателя до рассеивателя и от рассеивателя до приемника, при этом дважды дифрагируя на объекте, после чего производят сравнение характеристик принятого второго электромагнитного сигнала с характеристиками принятого первого электромагнитного сигнала путем сравнения дифракционной картины, определенной при приеме второго электромагнитного сигнала, с дифракционной картиной, определенной при приеме первого электромагнитного сигнала, и принимают решение об обнаружении объекта по изменению дифракционной картины, определенной при приеме второго электромагнитного сигнала, сравнительно с дифракционной картиной, определенной при приеме первого электромагнитного сигнала.

На дату подачи материалов заявки авторам не известно техническое решение, совокупность существенных отличительных признаков которого совпадает с заявляемой.

Обнаружение объекта осуществляется следующим образом.

Первым электромагнитным сигналом производят тестовое зондирование зоны наблюдения при достоверном отсутствии искомых объектов в зоне наблюдения. Такой сигнал рассеивается (в том числе, в направлении излучателя) на некотором рассеивателе, расположенном за предполагаемым местонахождением объекта в зоне наблюдения. Отраженный (в результате рассеяния) первый электромагнитный сигнал принимается на приемном звене системы обнаружения объектов, выполненной, например, в виде радиолокационной станции, после чего определяются его характеристики с целью фиксирования дифракционно-интерференционной картины (для первого варианта способа обнаружения) или дифракционной картины (для второго варианта). Для обеспечения фиксирования дифракционно-интерференционной картины прием электромагнитных сигналов осуществляют на антенную решетку, состоящую из независимых элементов. При этом фиксируются значения амплитуды, фазы и частоты принимаемого электромагнитного сигнала для каждого из элементов антенной решетки. Фиксирование дифракционной картины может быть произведено при приеме электромагнитного сигнала на одиночную антенну, т.к. дифракционная картина определяется по изменению амплитуды, фазы и частоты (для одиночной антенны), либо по изменению закона изменения амплитуды, фазы и частоты принимаемого электромагнитного сигнала сравнительно с аналогичными характеристиками излученного электромагнитного сигнала. Полученная и зафиксированная дифракционно-интерференционная картина или дифракционная картина является эталоном для дальнейшего процесса обнаружения объекта по первому и второму варианту способа обнаружения соответственно. При этом дифракционно-интерференционная картина носит пространственный характер (что влечет необходимость ее фиксирования на антенной решетке, состоящей из независимых элементов), в то время как дифракционная картина носит сосредоточенный характер (что дает возможность определения такой картины на одиночной антенне, например, за счет рассмотрения аналитического описания принятого сигнала). Интерференционная составляющая дифракционно-интерференционной картины является, в данном случае, следствием дифракции сигнала, наличие которой позволяет производить пространственное сложение (требующееся для проявления интерференции и образования интерференционной картины - см., например, статью "Интерференция волн", с.285. Новый иллюстрированный энциклопедический словарь. - М.: Большая Российская энциклопедия, 2000) поля сигнала с полем волн дифракции (возникающих на облучаемом объекте, в частности, как граничные или краевые волны, см., например, с.80 статьи Ньюмен Э.Х., Марефка Р.Дж. Обзор работ по методу моментов и равномерной теории дифракции, ведущихся в университете шт.Огайо // ТИИЭР. - 1989, - т.77. - №5, Тематический выпуск "Эффективная площадь отражения сложных радиолокационных объектов", с.76-85).

Далее, производят облучение зоны наблюдения вторым электромагнитным сигналом, которым производят текущее зондирование зоны наблюдения при неопределенности факта нахождения в ней объекта (для установления факта наличия или отсутствия объекта в зоне наблюдения). Зондирование осуществляют излучением второго электромагнитного сигнала в зону наблюдения и прием второго электромагнитного сигнала, отраженного от рассеивателя. Далее определяют и фиксируют характеристики принимаемого второго электромагнитного сигнала (дифракционно-интерфенционную картину для первого варианта способа обнаружения или дифракционную картину - для второго способа). Характеристики излучаемых первого и второго сигналов совпадают при их излучении. Прочие условия (например, погодные условия, время года и время суток, определяющие условия распространения электромагнитной волны и ее рассеивание на рассеивателе) излучения и приема электромагнитных сигналов, очевидно, также должны совпадать.

Затем, производят сравнение характеристик, полученных и зафиксированных при приеме второго электромагнитного сигнала, с характеристиками принятого первого электромагнитного сигнала (т.е. с эталонными дифракционно-интерференционной или дифракционной картинами для первого или второго варианта способа обнаружения соответственно). Выявление факта наличия каких-либо изменений в характеристиках принятого второго электромагнитного сигнала сравнительно с характеристиками принятого первого электромагнитного сигнала влечет справедливость утверждения о выявлении факта наличия какого-либо (искомого) объекта в зоне наблюдения.

В случае отсутствия объекта в зоне наблюдения, очевидно, характеристики принятого второго электромагнитного сигнала совпадут с характеристиками принятого первого электромагнитного сигнала (т.е. дифракционно-интерференционные картины для первого варианта или дифракционные картины для второго варианта, определенные при приеме первого и второго электромагнитных сигналов, совпадут). Данное совпадение свидетельствует об отсутствии в зоне наблюдения каких-либо факторов, которые могли бы привести к изменению характеристик принимаемых сигналов, что влечет принятие решения об отсутствии объекта в зоне наблюдения.

В случае наличия объекта в зоне наблюдения (при текущем зондировании зоны наблюдения вторым электромагнитным сигналом) излученный сигнал, во-первых, дифрагирует на объекте при прохождении пути излучатель - рассеиватель. Данная дифракция будет наблюдаться вне зависимости от вариантов исполнения объекта. Далее, дифрагировавший второй электромагнитный сигнал распространяется до рассеивателя, отражается и распространяется в направлении приемника (например, для моностатического варианта исполнения радиолокационной станции - в направлении излучателя, который, для такого варианта, расположен в том же месте, что и приемник). С учетом скорости (времени) распространения электромагнитной волны по пути объект - рассеиватель - объект, учитывая реальные скорости перемещения объектов, рассеянный (отраженный от рассеивателя) второй электромагнитный сигнал, во-вторых, будет вторично дифрагировать на том же объекте. Изменение характеристик сигнала (влекущее изменение дифракционно-интерференционной или дифракционной картины, определенной при приеме сигнала по первому или второму варианту способа обнаружения) показывает наличие объекта в зоне наблюдения.

Описание дифракции и получение уравнений дифракции и дифракционно-интерференционной или дифракционной картин являются общеизвестными, например, в рамках физической теории дифракции (см., в частности, Уфимцев П.Я. Метод краевых волн в физической теории дифракции. - М.: Сов. радио, 1962; Марков Г.Т., Петров Б.М., Грудинская Г.П. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: Сов. радио, 1979, с.273-284; Медьеши Л.Н., Вае Даосин. Гибридные методы анализа отражений от объектов сложной формы // ТИИЭР. 1989, - т.77. - №5, Тематический выпуск "Эффективная площадь отражения сложных радиолокационных объектов", c.147-158).

Слабый сигнал (второй электромагнитный сигнал, облучающий объект после отражения от рассеивателя) при вторичном дифрагировании на облучаемом объекте (с учетом сохранения изменений, вызванных в структуре и описании сигнала за счет первой дифракции) будет подвержен всем видам изменений, связанных с таким дифрагированием (независимо от уменьшения амплитуды сигнала, связанного с прохождением расстояния объект - рассеиватель - объект и, соответственно, с ослаблением сигнала пропорционально обратному квадрату такого расстояния). То есть, исходя из физической теории дифракции, условия проявления дифракции и, как следствие, интерференции (для первого варианта способа обнаружения) не будут связаны с фактом необходимости учета значительно меньшей амплитуды второго электромагнитного сигнала при вторичной дифракции на облучаемом объекте, ввиду ослабления соответственно обратному квадрату пройденного расстояния объект - рассеиватель - объект (сравнительно с амплитудой второго электромагнитного сигнала при первой дифракции на облучаемом объекте), при учете дифрагирования (и, в последующем, образования интерференционной картины, например, при дифракции Фраунгофера или Френеля) слабого второго электромагнитного сигнала, облучающего объект на пути рассеиватель-приемник.

Следует отметить, что если дифрагирование радиолокационного сигнала не характерно для радиолокации не "на просвет" (т.е. для радиолокации с извлечением информации из сигнала, отраженного облучаемым объектом), то дифрагирование сигнала при радиолокации "на просвет" может значительно увеличить эффективную площадь рассеяния (ЭПР) искомого объекта (например, вследствие проявления принципа Бабине (который описан, например, в книге: Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: Наука, 1989, с.363-366), при котором ЭПР облучаемого объекта больше, при ее определении по прошедшему через объект сигналу, чем по сигналу, отраженному от объекта). Однако такая дифракция может быть нивелирована уменьшением зоны затенения при перераспределении энергии по фронту волны электромагнитного сигнала при его распространении ("замывание" зоны затенения). Таким образом, именно двойная дифракция (для случаев радиолокации без использования нелинейных сигналов или эффектов) обеспечивает невозможность избежать обнаружения объекта при текущем зондировании зоны наблюдения вторым электромагнитным сигналом.

В обоих вариантах способа обнаружения в качестве рассеивателя могут быть использованы как естественный отражатель, например тропосферный слой атмосферы, так и искусственный отражатель, в качестве которого используют, например, радиоголографическую антенну. В качестве естественного отражателя также может быть использован ионосферный слой, а в качестве радиоголографической антенны, например, - антенна по патенту РФ №2099880, МКИ Н 04 В 7/22, приоритет от 06.03.1996 г. Кроме того, искусственными рассеивателями могут служить уголковые отражатели, установленные, например, на дирижабле. Рассеиватель, таким образом, ограничивает зону наблюдения, определяя наблюдаемое пространство как пространство излучатель - рассеиватель - приемник (конус, в моностатическом варианте исполнения радиолокационной системы, реализующей способ обнаружения).

Согласно описанному способу обнаружения объектов устраняется помеховый фактор, возникающий в процессе обнаружения объекта, обусловленный двойной дифракцией радиолокационного сигнала на искомом объекте (что повышает достоверность локации вследствие уменьшения количества помеховых факторов). Названный помеховый фактор, в описанном способе обнаружения объектов, используется в качестве источника информации о наличии объекта в зоне наблюдения.

Изобретение направлено на устранение помехового фактора, возникающего в процессе обнаружения объекта, обусловленного двойной дифракцией радиолокационного сигнала на искомом объекте. Указанный технический результат достигается тем, что в способе обнаружения объекта, включающем облучение зоны наблюдения первым электромагнитным сигналом при достоверном отсутствии объекта в зоне наблюдения, прием и определение характеристик первого электромагнитного сигнала, отраженного от рассеивателя, расположенного за предполагаемым местонахождением объекта в зоне наблюдения, облучение зоны наблюдения вторым электромагнитным сигналом, которым производят текущее зондирование зоны наблюдения при неопределенности факта нахождения в ней объекта, прием и сравнение характеристик принятого второго электромагнитного сигнала с характеристиками принятого первого электромагнитного сигнала и принятие решения об обнаружении объекта, при этом характеристики первого и второго электромагнитных сигналов совпадают при их излучении, в первом варианте исполнения принимают отраженный от рассеивателя второй электромагнитный сигнал, который, в случае нахождения объекта в зоне наблюдения, дважды проходит через него - на пути распространения от излучателя до рассеивателя и от рассеивателя до приемника, при этом дважды дифрагируя на объекте, после чего производят сравнение характеристик принятого второго электромагнитного сигнала с характеристиками принятого первого электромагнитного сигнала путем сравнения дифракционно-интерференционной картины, определенной при приеме второго электромагнитного сигнала, с дифракционно-интерференционной картиной, определенной при приеме первого электромагнитного сигнала, и принимают решение об обнаружении объекта по изменению дифракционно-интерференционной картины, определенной при приеме второго электромагнитного сигнала, сравнительно с дифракционно-интерференционной картиной, определенной при приеме первого электромагнитного сигнала. Второй вариант исполнения способа обнаружения объекта отличается от первого варианта исполнения способа тем, что сравнение характеристик принятого второго электромагнитного сигнала с характеристиками принятого первого электромагнитного сигнала осуществляют путем сравнения дифракционной картины, определенной при приеме второго электромагнитного сигнала, с дифракционной картиной, определенной при приеме первого электромагнитного сигнала, и принимают решение об обнаружении объекта по изменению дифракционной картины, определенной при приеме второго электромагнитного сигнала, сравнительно с дифракционной картиной, определенной при приеме первого электромагнитного сигнала. 2 н.п. ф-лы.

1. Способ обнаружения объекта, включающий облучение зоны наблюдения первым электромагнитным сигналом при достоверном отсутствии объекта в зоне наблюдения, прием и определение эталонных характеристик первого электромагнитного сигнала, отраженного от рассеивателя, расположенного за предполагаемым местонахождением объекта в зоне наблюдения, облучение зоны наблюдения вторым электромагнитным сигналом, которым производят текущее зондирование зоны наблюдения при неопределенности факта нахождения в ней объекта, прием и сравнение характеристик принятого второго электромагнитного сигнала с эталонными характеристиками принятого первого электромагнитного сигнала и принятие решения об обнаружении или отсутствии объекта в зоне наблюдения по факту наличия или отсутствия изменений в характеристиках принятого второго электромагнитного сигнала, при этом характеристики первого и второго электромагнитных сигналов совпадают при их излучении, отличающийся тем, что в случае нахождения объекта в зоне наблюдения второй электромагнитный сигнал дважды проходит через него - на пути распространения от излучателя до рассеивателя и от рассеивателя до приемника, дважды дифрагируя на объекте, при этом сравнение характеристик принятого второго электромагнитного сигнала с эталонными характеристиками принятого первого электромагнитного сигнала производят путем сравнения дифракционно-интерференционной картины, фиксирующей изменение значений амплитуды, фазы и частоты, определяемых при приеме второго электромагнитного сигнала для каждого из независимых элементов антенной решетки, с дифракционно-интерференционной картиной, определенной при приеме первого электромагнитного сигнала, а решение об обнаружении объекта принимают по изменению дифракционно-интерференционной картины, определенной при приеме второго электромагнитного сигнала, сравнительно с дифракционно-интерференционной картиной, определенной при приеме первого электромагнитного сигнала.2. Способ обнаружения объекта, включающий облучение зоны наблюдения первым электромагнитным сигналом при достоверном отсутствии объекта в зоне наблюдения, прием и определение эталонных характеристик первого электромагнитного сигнала, отраженного от рассеивателя, расположенного за предполагаемым местонахождением объекта в зоне наблюдения, облучение зоны наблюдения вторым электромагнитным сигналом, которым производят текущее зондирование зоны наблюдения при неопределенности факта нахождения в ней объекта, прием и сравнение характеристик принятого второго электромагнитного сигнала с эталонными характеристиками принятого первого электромагнитного сигнала и принятие решения об обнаружении или отсутствии объекта в зоне наблюдения по факту наличия или отсутствия изменений в характеристиках принятого второго электромагнитного сигнала, при этом характеристики первого и второго электромагнитных сигналов совпадают при их излучении, отличающийся тем, что в случае нахождения объекта в зоне наблюдения второй электромагнитный сигнал дважды проходит через него - на пути распространения от излучателя до рассеивателя и от рассеивателя до приемника, дважды дифрагируя на объекте, при этом сравнение характеристик принятого второго электромагнитного сигнала с эталонными характеристиками принятого первого электромагнитного сигнала производят путем сравнения дифракционной картины, фиксирующей изменение значений амплитуды, фазы и частоты либо изменение закона изменения значений амплитуды, фазы и частоты, определяемых при приеме второго электромагнитного сигнала одиночной антенной, с дифракционной картиной, определенной при приеме первого электромагнитного сигнала, а решение об обнаружении объекта принимают по изменению дифракционной картины, определенной при приеме второго электромагнитного сигнала, сравнительно с дифракционной картиной, определенной при приеме первого электромагнитного сигнала.