СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ ОБЪЕКТОВ НА БАЗЕ МНОГОКАНАЛЬНОЙ РЛС Российский патент 2008 года по МПК G01S13/42 G01S13/72 

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным системам наблюдения за объектами на базе бортовой или наземной РЛС, работающей в режиме "реального луча" (РЛ) с одной многоканальной антенной, где многоканальность достигается или наличием большого числа пространственно разнесенных приемных элементов типа фазированной антенной решетки или за счет частотного (фазового) сканирования излучаемого сигнала [1]. При наблюдении за объектами на поверхности или в воздушном пространстве с помощью таких систем возникает необходимость измерения высоты объектов.

Известен интерферометрический фазовый метод измерения угла места в каждом разрешаемом по дальности и азимуту элементе [2, с.349-353]. Однако он требует специальной антенной системы - интерферометра. К недостаткам такого метода можно отнести следующее:

1) для реализации метода требуются две разнесенные в пространстве ненаправленные антенны;

2) на точность измерения высоты влияет растительность подстилающей поверхности, однако переход в длинноволновый диапазон требует увеличения базы интерферометра (разнесения антенн);

3) сферический фронт волны (особенно на малой дальности) в данном элементе разрешения дальности накрывает лишь часть поверхности протяженного объекта.

Известны также амплитудный и амплитудно-фазовый моноимпульсный методы измерения угла места с помощью пеленгационной характеристики [3, с.424-428], получаемой при смещении луча РЛС.Однако такие способы рассчитаны на обнаружение одиночных воздушных объектов.

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения высоты, основанный на сканировании луча РЛС по углу места в вертикальной плоскости [3, с.463]. В соответствии с данным способом для измерения высоты воздушного объекта при известном его азимутальном положении осуществляют качание (сканирование) луча РЛС в вертикальной плоскости и определяют значение угла места (центра луча, при котором амплитуда отраженного сигнала максимальна. При этом высоту объекта (относительно наблюдателя) для наземной РЛС вычисляют по формуле

где R - радиальная дальность до объекта.

Соответственно для бортовой РЛС высота объекта

где h - высота полета носителя РЛС.

Однако такой способ обладает следующими недостатками.

1. Способ рассчитан на измерение высоты одиночных объектов и не работает при наличии группы объектов в измеряемой области.

2. Способ не рассчитан на измерение высоты объектов на поверхности и в этом случае требует определенной модификации.

3. Абсолютная погрешность Δ_Н измерения высоты объекта относительно нулевого уровня составляет

где Δ_h - абсолютная погрешность измерения высоты полета носителя РЛС; Δ_θ - абсолютная погрешность измерения угла места наблюдаемого объекта, равная половине ширины луча Δθ на уровне 0,5 мощности: Δ_θ=Δθ/2. Например, для что недопустимо.

Технический результат направлен на увеличение точности измерения высоты наземных и воздушных объектов при заданном угле места в диапазоне дальности расположения объектов.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что способ измерения высоты наземных и воздушных объектов на базе многоканальной РЛС заключается в последовательном смещении луча РЛС в вертикальной плоскости против часовой стрелки на малую (2n+1)-ю часть ширины диаграммы направленности антенны (ДН) размером в 2n+1 элементов дискретизации на уровне 0,5 мощности при заданном азимуте, отличающийся тем, что при каждом j-м положении луча в i-x элементах разрешения дальности измеряют амплитуды отраженного сигнала в квадратурных каналах фазового детектирования (С - косинусном и S - синусном) одновременно в каждом q-м приемном канале антенной системы, состоящей из большого числа Q(Q≥2n+1) разнесенных по фазе приемных элементов, при этом измерения суммируют с весами найденными заранее, далее извлекают корень из суммы квадратов результатов суммирования, тем самым оценивают амплитуду x(i, j) отраженного сигнала, соответствующего центру j-го луча (центральному элементу дискретизации ДН) в i-x элементах дальности

в процессе сканирования луча фиксируют момент, когда амплитуда превышает заданный порог обнаружения хотя бы в одном элементе дальности, и определяют k+1-e предельное положение луча, при котором оценки амплитуды во всех i-x элементах дальности заданного диапазона оказываются ниже порога, и вычисляют высоту Н объекта по формуле

,

где R_i - расстояние по наклонной дальности между РЛС, расположенной на высоте h, и i-м элементом разрешения дальности с максимальным значением оценки амплитуды при k-м положении луча, θ_k - угол места центра k-го луча, отсчитываемый в положительном направлении по часовой стрелке от горизонтальной плоскости положения носителя РЛС.

Способ осуществляют следующим образом.

1. Луч РЛС последовательно смещают по углу места (по j) на величину (2n+1)-й части ширины ДН размером в 2n+1 элементов дискретизации на уровне 0,5 мощности, начиная с нижнего заданного предельного положения луча. Антенная система состоит из большого числа Q(Q≥2n+1) приемных элементов, разнесенных по фазе принимаемого сигнала [1].

2. При каждом j-м положении луча в i-x элементах разрешения дальности заданного диапазона измеряют амплитуды отраженного сигнала квадратурных каналах фазового детектирования (С - косинусном и S - синусном) одновременно в каждом q-м приемном канале .

3. Результаты измерений в каждом i-м элементе дальности суммируют с весами найденными заранее по определенной методике, тем самым оценивают косинусную и синусную составляющие амплитуды x(i, j) отраженного сигнала, соответствующего центру луча (ДН)

и вычисляют оценки амплитуд отраженного сигнала в j-м синтезированном элементе разрешения угла места по формуле

4. Фиксируют j-й момент, когда оценка амплитуды превышает порог обнаружения сигнала отражения хотя бы в одном i-м элементе дальности , затем определяют предельное k+1-e положение луча, при котором оценки амплитуды во всех i-x элементах дальности оказываются ниже порогового значения.

5. Вычисляют высоту Н объекта по формуле

,

где R_i - расстояние по наклонной дальности между РЛС, расположенной на высоте h, и i-м элементом разрешения дальности с максимальным значением оценки амплитуды при k-м положении луча, θ_k - угол места центра k-го луча, отсчитываемый в положительном направлении по часовой стрелке от горизонтальной плоскости положения носителя РЛС.

Абсолютная погрешность измерения высоты при этом составляет

и при Δ_h=0 (для наземной РЛС) в 2n+1 раз меньше погрешности альтернативного способа. Например, для 2n+1=21, Δθ=1°, R=1000 м ⇒ Δ_H≈Δ_h+0,4 м, а при R=10 км ⇒ Δ_H≈Δ_h+4 м.

Расчет весовых коэффициентов сводится к следующему. Модель комплексной огибающей отраженного сигнала (например [4, с.13-14]), прошедшего тракт первичной обработки, на выходе фильтров низких частот квадратурных каналов фазового детектирования q-го приемного канала имеет вид

где Q - число приемных каналов; - сигнал в квадратурных каналах фазового детектирования с измеряемой амплитудой s_q(t) и измеряемой фазой - нормированные комплексные коэффициенты ДН q-го канала, характеризующие интенсивность прихода сигналов от j-го углового направления относительно центрального направления; - полезная составляющая сигнала с амплитудой x_j(t), несущей информацию о поле отражения, и фазой ϕ_j(t); Δϕ_q(j) - известный фазовый сдвиг при приеме отраженного сигнала с j-го углового направления q-м приемным элементом; - комплексный гауссовский белый шум, действительная ξ_q(t) и мнимая η_q(t) составляющие которого распределены по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и дисперсией . Амплитуды х_j(t) и фазы ϕ_j(t) в общем случае случайны по j-м элементам дискретизации, а также на множестве положений антенны и их статистические характеристики определены. Представим (1) в виде

где

Сигнал в (2) содержит действительную и мнимую составляющие

где

Выражение (3) представляет систему 2Q уравнений с 2N неизвестными причем

где - среднее значение амплитуды, Δx_j(t) - ee случайное отклонение.

После стробирования сигнала в j-х элементах разрешения дальности на промежутке получается следующая общая модель измерения в q-м канале в 1-м элементе дальности при j-м положении луча

Так как корреляцией сигналов в соседних i-x стробах дальности можно пренебречь, то обработка измерений ведется независимо в i-x элементах разрешения дальности.

Отношение сигнал-шум по мощности в модели (3) при допущении , примерно равно , где L - число повторений измерений, и значительно выше, чем в моноимпульсных сканирующих системах с амплитудным детектированием [5, 6]:

где отношение сигнал-шум составляет примерно независимо от мощности полезного сигнала . Соответственно точность оценивания амплитуды х_j(t) в элементах дискретизации угла места и, как следствие, разрешающая способность по углу в предложенном способе значительно выше, чем в [5, 6].

Дальнейшее увеличение отношения сигнал-шум осуществляется в процессе алгоритмической обработки (3)-(4) за счет избыточного числа каналов измерения: Q>2n+1.

Оптимальное оценивание сводится к следующему. Выражения (3)-(4) представляются в матричной форме

где Y - 2Q-вектор измерений - матрица коэффициентов ДН - вектор параметров поля отражения подлежащих оцениванию; Р - 2Q-вектор помех ξ_q и η_q.

Матричная запись (7) в случае некоррелированных помех Р позволяет находить стандартные МНК-оценки 2N-вектора X:

где - матрица весовых коэффициентов; δ - параметр регуляризации, необходимый для обращения плохо обусловленной матрицы А^TА, который с позиции статистической регуляризации [7, с.76-82] для некоррелированных полей имеет смысл отношения дисперсий

Точность оценивания (8) характеризуется корреляционной матрицей К_ΔX ошибок оценивания :. При этом наибольшая точность при малом числе каналов Q (Q≥N) достигается для тех составляющих вектора , которые соответствуют центру j-го луча (j₁=0). Эти составляющие вычисляются по формулам

где , - весовые коэффициенты центральной строки матрицы Н, соответствующие наименьшей дисперсии ошибки оценивания (в общем случае зависящие от j-го положения луча вследствие возможного изменения формы ДН при электронном сканировании), и используются для вычисления оценки амплитуды центрального элемента дискретизации угла места в каждом i-м элементе дальности

Предложенный способ позволяет измерять высоту наземных или группы воздушных объектов с помощью одной многоканальной антенны в режиме РЛ с более высокой точностью по сравнению с известными способами измерения высоты с помощью одной сканирующей антенны за счет дополнительной алгоритмической обработки амплитуд отраженных сигналов. Это дает возможность обнаруживать и измерять высотные препятствия при маловысотном полете, что увеличивает безопасность таких полетов, а также разрешать по азимуту (высоте) близко расположенные воздушные объекты.

Литература

1. Воскресенский Д.И. Антенны с обработкой сигнала: Учеб. пособие для вузов. - М.: САЙНС-ПРЕСС, 2002. 80 с.

2. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов. / Под ред. Г.С.Кондратенкова. - М.: "Радиотехника", 2005. 368 с.

3. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1983. 536 с.

4. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны. / В.Н.Антипов, В.Т.Горяинов, А.Н.Кулин, Толстов Е.Ф. и др./ Под ред. В.Т.Горяинова. - М.: Радио и связь, 1988. 304 с.

5. Пат.RU 2249832 С1. Способ наблюдения за поверхностью / В.К.Клочко, Г.Н.Колодько, В.И.Мойбенко, А.А.Ермаков. МПК: G01S 13/02, H01Q 21/00. Приоритет 02.09.2003. Опубл.: 10.04.2005. Бюл. №10.

6. Пат. RU 2256193 С1. Способ наблюдения за поверхностью и воздушной обстановкой / В.К.Клочко, Г.Н.Колодько, В.И.Мойбенко, А.А.Ермаков. МПК: G01S 13/02. Приоритет 08.12.2003. Опубл.: 10.07. 2005. Бюл. №19.

7. Василенко Г.И., Тараторин А.М. Восстановление изображений. - М.: Радио и связь, 1986. 304 с.

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным системам наблюдения за объектами на базе бортовой или наземной РЛС, работающей в режиме реального луча с одной многоканальной антенной, где многоканальность достигается или наличием большого числа пространственно разнесенных приемных элементов типа фазированной антенной решетки или за счет частотного (фазового) сканирования излучаемого сигнала. Техническим результатом является увеличение точности измерения высоты наземных и воздушных объектов при заданном угле места в диапазоне дальности расположения объектов. Способ измерения высоты наземных и воздушных объектов на базе многоканальной РЛС заключается в измерении угла места положения объектов и его пересчете в высоту при последовательном смещении луча РЛС по углу места на величину (2n+1)-й части ширины диаграммы направленности антенны (ДН) размером в 2n+1 элементов дискретизации и обработке полученных при каждом положении луча амплитуд отраженных сигналов на выходе многоканальной системы приемных элементов, в результате чего повышается точность оценивания амплитуд в элементах дискретизации угла места и соответственно повышается разрешение по углу.

Способ измерения высоты наземных и воздушных объектов на базе многоканальной РЛС, заключающийся в последовательном смещении луча РЛС в вертикальной плоскости против часовой стрелки на малую (2n+1)-ю часть ширины диаграммы направленности антенны (ДН) размером в 2n+1 элементов дискретизации на уровне 0,5 мощности при заданном азимуте, отличающийся тем, что при каждом j-м положении луча в i-x элементах разрешения дальности заданного диапазона измеряют амплитуды , отраженного сигнала в квадратурных каналах фазового детектирования (С - косинусном и S - синусном) одновременно в каждом q-м приемном канале антенной системы, состоящей из большого числа Q(Q≥2n+1) разнесенных по фазе приемных элементов, при этом измерения , , суммируют с весами , , , найденными заранее, далее извлекают корень из суммы квадратов результатов суммирования, тем самым оценивают амплитуду x(i, j) отраженного сигнала, соответствующего центру j-го луча (центральному элементу дискретизации ДН) в i-x элементах дальности:

в процессе сканирования луча фиксируют момент, когда амплитуда превышает заданный порог обнаружения хотя бы в одном i-м элементе дальности , и определяют k+1-e предельное положение луча, при котором оценки амплитуды во всех i-x элементах дальности заданного диапазона оказываются ниже порога, и вычисляют высоту Н объекта

H=h - R_isinθ_k,

где R_i - расстояние по наклонной дальности между РЛС, расположенной на высоте h, и i-м элементом разрешения дальности с максимальным значением оценки амплитуды при k-м положении луча, θ_k - угол места центра k-го луча, отсчитываемый в положительном направлении по часовой стрелке от горизонтальной плоскости положения носителя РЛС.