СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТРЕХМЕРНОГО РАДИОЛОКАЦИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ПО КУРСУ, ТАНГАЖУ И КРЕНУ ОБЪЕКТА ПРИ МНОГОЧАСТОТНОМ ИМПУЛЬСНОМ ЗОНДИРОВАНИИ Российский патент 2008 года по МПК G01S13/89 

Изобретение относится к области исследования радиолокационных характеристик объекта при использовании многочастотного импульсного зондирования и метода инверсного радиолокационного синтезирования апертуры.

Методы получения радиолокационного изображения (РЛИ) объекта основаны на цифровой обработке комплексных огибающих отраженных сигналов, измеренных в широкой полосе частот зондирующих импульсов РЛС при различных ракурсах визирования объекта.

Комплексная огибающая отраженного сигнала представляет собой комплексную форму отраженного сигнала, который перенесен на видеочастоту (на нулевую несущую частоту) и в котором произведена компенсация начальной фазы зондирующего сигнала.

При зондирующем сигнале

где:S - зондирующий сигнал;

А - амплитуда сигнала;

f - несущая частота сигнала;

ϕ₀ - начальная фаза сигнала.

Комплексная огибающая отраженного сигнала есть

где:а - амплитуда отраженного сигнала,

R - расстояние от РЛС до объекта,

λ - длина волны зондирующего сигнала,

ϕ_отр - фаза, возникающая при отражении от объекта.

Используемая модель исследуемого объекта - совокупность локальных рассеивающих центров (Рц), у которых координаты в связанной с объектом системе отсчета и интенсивность отражения электромагнитной волны при фиксированной величине λ являются постоянными.

Известен триангуляционный способ построения двумерного РЛИ цели в РЛС сопровождения с инверсным синтезированием апертуры [1], в котором при узкополосном импульсном зондировании цели измеряют и запоминают комплексные огибающие отраженных сигналов, их подвергают одномерному преобразованию Фурье и формируют одномерный доплеровский портрет цели путем измерения доплеровской частоты i-го Рц и пересчета ее в линейное удаление Рц от линии визирования цели r_Ψ в направлении линии, перпендикулярной плоскости, проходящей через линию визирования и ось относительного вращения цели при ее сопровождении, величины r_Ψ определяют для двух ракурсов сопровождения цели, разделенных по углу визирования интервалом ΔΨ=0,5°, по данным r_Ψ1, r_ψ2, зафиксированным при углах Ψ₁, Ψ₂, определяют координату r_d в направлении линии визирования, по координатам r_Ψ, r_d, полученным для каждого i-го Рц, строят РЛИ цели.

Указанному способу присущи существенные недостатки:

координата r_d при малых углах ΔΨ может быть определена только с большой погрешностью,

одномерный доплеровский портрет при узкополосном зондировании является ограниченно содержательным в отношении имеющихся Рц цели,

имеют место трудности при идентификации образов различных Рц, полученных в портретах при разных углах визирования цели.

Известен также способ получения трехмерного изображения объекта [2], в котором измеряют в пределах полусферы объекта комплексный коэффициент рассеяния объекта являющийся отношением комплексных амплитуд падающей и отраженной волн - волновой вектор отраженной волны, - вектор нормали к поверхности объекта), определяют объединенный коэффициент отражения

где ρ^* - число, комплексно сопряженное к ρ,

и с помощью трехмерного преобразования Фурье определяют характеристическую функцию объекта

равную единице внутри поверхности объекта и нулю - вне ее, функцию подвергают преобразованию Радона для определения трехмерного изображения объекта.

Недостатком указанного способа является необходимость получения функции при большем числе ракурсов визирования объекта, а также высокая чувствительность к погрешностям измерения комплексного коэффициента рассеяния объекта

Известен [3] способ построения двумерного радиолокационного изображения прямолинейно летящей цели при многочастотном узкополосном зондировании, основанный на излучении импульсных сигналов, приеме отраженных сигналов и накоплении их в течение рассчитываемого интервала синтезирования Т_с, отличающийся тем, что несущую частоту зондирующих импульсов изменяют от импульса к импульсу по линейному закону в диапазоне частот от f_o до f_o+ΔF с шагом ΔF/2^N, частоту повторения импульсов Т_И выбирают таковой, что величина Т_и·2^N на порядок меньше времени корреляции траекторных нестабильностей полета целей (составляющих 25-100 мс), накопление отраженных импульсов в объеме 2^N·2^N производят в 2^N этапов с интервалом между этапами Т_с/2^N, составляют матрицу с 2^N строками и 2^N столбцами, элементами которой являются амплитуды и фазы отраженных сигналов, данные матрицы подвергают двумерному быстрому преобразованию Фурье, полученную двумерно-спектральную матрицу синтезированного отклика преобразуют в графическое матричное изображение цели, для чего определяют уровень первых боковых лепестков отклика наиболее интенсивного рассеивателя цели, принимают данный уровень за пороговую величину, сравнивают с ней значения двумерно-спектральной матрицы и в случае превышения порога выделяют соответствующий элемент в матричном поле 2^N·2^N, а совокупность всех выделенных элементов принимают за радиолокационное изображение цели.

Описанный способ взят в качестве прототипа.

Указанный способ обеспечивает получение двумерного портрета распределения Рц, характеризуемого интенсивностью отражения Рц и его координатами в радиальном r_d и азимутальном r_Ψ направлениях. При этом координаты r_d являются результатом преобразования во временную область спектра отраженного сигнала в полосе частот ΔF, размещенного в столбце (столбцах) матрицы. Отсчет величины r_d производится от центра синтезирования по линии визирования.

Величина r_d по существу является проекцией на линию визирования расстояния Рц до центра синтезирования, выбираемого на оси вращения объекта.

Другая координата r_Ψ, получающаяся в результате преобразования Фурье строки (строк) матрицы, образованной после преобразования Фурье столбцов, является расстоянием Рц до плоскости, проходящей через линию визирования и ось вращения [4].

Недостатком способа является то, что при синтезировании РЛИ расширение сектора углов поворота объекта сверх ΔΨ=10-15° (с целью повышения точности спектрального разрешения Рц) невозможно из-за того, что координаты r_d, r_Ψ, являются переменными величинами, изменяющимися при вращении объекта. Кроме того, если к процессу формирования РЛИ подходить с позиции метода максимального правдоподобия, используемого для решения задач обнаружения или измерения параметров сигналов, то оператор синтезирования должен являться интегралом свертки комплексной огибающей отраженного сигнала Φ(q), зарегистрированной в координатах вектора q, изменяющегося в интервале Δq, и опорной (или фокусирующей) функции F(q, x),

где вектор х является совокупностью параметров, характеризующих интенсивность рассеяния и местоположения Рц.

Рассмотрение с указанной позиции способа-прототипа показывает, что он является не полностью сфокусированным. Вследствие этого, как показывает моделирование, точность оценки интенсивности рассеяния и координат Рц ухудшается по мере удаления Рц от оси вращения объекта.

Недостатком способа является также то, что при вращении по углу курса (азимута) Ψ объекта в реальных условиях возникающие из-за несовершенства поворотного устройства движения объекта по углу тангажа ν и крена γ должны быть скомпенсированы, т.к. они являются мешающими при синтезировании двумерного портрета.

Однако углы ν, γ являются полезными при оценке третьей координаты Рц - высоты.

Наличие движений объекта по тангажу и крену, а также учет того факта, что линия визирования РЛС - объект в реальных условиях на полигоне располагается под углом 2-3° к плоскости, перпендикулярной оси вращения объекта, создают предпосылки для получения в процессе синтезирования некоторого разрешения по высоте Рц, т.е. появляется возможность получения трехмерного РЛИ объекта.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Способ решает задачу построения РЛИ, в котором имеет место разрешение высоты Рц (при наличии движения объекта по тангажу и крену), т.е. фактически решается задача построение трехмерного РЛИ.

При использовании предлагаемого способа обеспечивается технический результат, заключающийся в том, что информация об углах ν, γ, мешающая при получении двумерного РЛИ и подлежащая компенсации, используется для создания трехмерного РЛИ.

Кроме того, благодаря введению специальной опорной функции, осуществляющей фокусировку координат Рц, и использованию криволинейных координат f_x, f_y, f_z, реализуется процесс синтезирования при любом (0-2π) секторе углов поворота объекта по курсу при наличии движений объекта по тангажу и крену, вследствие чего обеспечивается повышение точности оценки и разрешения координат Рц.

В предлагаемом способе оценка координат Рц производится в связанной системе отсчета, где эти координаты постоянны, и это создает дополнительные предпосылки для повышения точности оценки.

Для достижения указанного технического результата в способе получения трехмерного РЛИ, включающем излучение зондирующих импульсов с изменением несущей частоты от импульса к импульсу с шагом Δf в полосе частот ΔF, прием отраженных сигналов, измерение комплексных огибающих отраженных сигналов Φ(t) и запоминание их в течение времени синтезирования в угловом секторе ΔΨ, образование матрицы комплексных огибающих и преобразование ее с помощью быстрого двумерного преобразования Фурье в матрицу синтезированного отклика, определение величины порога по уровню первых боковых лепестков наиболее интенсивного отклика, сравнение значений элементов матрицы с порогом для выделения превышающих порог элементов матрицы, совокупность которых принимают за РЛИ объекта, измеряют углы курса Ψ(t), тангажа ν(t) и крена γ(t) связанной с объектом системы отсчета с началом в точке М на оси вращения объекта относительно земной системы отсчета, измеряют в земной системе отсчета координаты вектора соединяющего точку М с фазовым центром антенны РЛС (точка О), преобразуют их в координаты связанной системы отсчета

с помощью известной матрицы A(Ψ,ν,γ), определяющей переход из связанной в земную систему отсчета, определяют углы ориентации α, β вектора в связанной системе отсчета

производят регистрацию комплексных огибающих отраженных сигналов Φ(t) в координатах пространственных частот

при значениях f, α, β, соответствующих моментам измерения Φ, корректируют фазу измеренных значений комплексных огибающих Φ на величину получая величины и их размещают в элементы матрицы Т(l, m, n), трехмерные номера которых (l, m, n) определяют по формулам

где int() - функция взятия целой части числа,

d - шаг элементов матрицы Т по координатам f_x, f_y, f_z.

Матрицу Т подвергают трехмерному дискретному преобразованию Фурье

по полученной трехмерной матрице синтезированного отклика определяют трехмерное радиолокационное изображение объекта.

Из приведенной совокупности существенных признаков предлагаемого способа следует, что общими с прототипом являются признаки излучения зондирующих импульсов с изменением несущей частоты от импульса к импульсу с шагом Δf в полосе частот ΔF, приема отраженных сигналов, измерения комплексных огибающих отраженных сигналов, запоминание их в течение времени синтезирования в угловом интервале Δ_Ψ, образования матрицы комплексных огибающих и преобразования ее с помощью быстрого преобразования Фурье в матрицу синтезированного отклика, определения уровня первых боковых лепестков отклика наиболее интенсивного рассеивателя, определения пороговой величины, равной данному уровню, сравнения с ней значений элементов матрицы, выделения элементов матрицы по условию превышения порога, определения радиолокационного изображения в виде совокупности выделенных элементов матрицы.

Признак образования матрицы комплексных огибающих является общим с прототипом только формально. По существу же в прототипе строка матрицы заполняется значениями Φ, измеренными для зондирующих импульсов с одной и той же несущей частотой, но при разных углах визирования объекта Ψ. При этом значения углов Ψ должны изменяться равномерно (по углу или по времени) с тем, чтобы можно было применять дискретное преобразование Фурье.

В предлагаемом способе значения размещаются в матрице в варианте двумерного РЛИ по правилу При этом значения Φ, полученные при f=const и различных углах Ψ, будут размещены в элементы матрицы, расположенные по окружности, т.к. Кроме того, в предлагаемом способе при измерениях Φ не требуется постоянный шаг изменения Ψ (или времени).

Остальные вышеуказанные признаки предлагаемого способа являются отличительными.

Описание предлагаемого способа заключается в следующем.

Процесс синтезирования РЛИ с позиции метода максимального правдоподобия выражается интегралом свертки (1), где фокусирующая функция в соответствии с [5] есть

R₀ - расстояние от фазового центра РЛС (точка О) до центра синтезирования (точка М),

R - расстояние от фазового центра РЛС до Рц, координаты которого неизвестны.

Взаимное положение точек О, М, Рц показано на фигуре 1.

Вектор (линия визирования объекта) в земной системе отсчета известен, поскольку полагается, что координаты точек О и М, а также углы ориентации Ψ, ν, γ связанной системы отсчета относительно земной измеряются с помощью навигационной системы.

Вектор в земной системе отсчета есть

где: x_m, y_m, z_m - координаты точки М;

x₀, y₀, z₀ - координаты точки О.

В связанной системе отсчета вектор с координатами x_в,y_в,z_в выразится как

где A(Ψ,ν,γ) является известной матрицей, определяющей переход из земной в связанную систему отсчета [6];

A^T(Ψ,ν,γ) - транспонированная матрица.

При использовании для образования углов Ψ,ν,γ последовательности правых поворотов:

Ψ - поворот вокруг оси у_земн,

ν - вокруг оси z₁, получившейся после поворота на угол Ψ,

γ - вокруг оси x₂ (после Ψ, ν).

Матрица A(Ψ,ν,γ) выражается в виде

A^T(Ψ,ν,γ) - транспонированная матрица.

Вектор в связанной системе отсчета может быть определен двумя углами α, β и дальностью R₀:

Откуда:

Вектор

В связанной системе отсчета

где (x, y, z) - координаты Рц в связанной системе отсчета.

И следовательно, фокусирующая функция (13), определяемая с точностью до постоянной фазы, может быть представлена в виде:

где

f_x, f_y, f_z - пространственные частоты.

Фокусирующая функция (23) выражена через пространственные частоты f_x, f_y, f_z, являющиеся функциями λ и углов α, β, отсчитываемых в двух взаимно перпендикулярных направлениях связанной системы отсчета и представляющих собой сложные функции углов ориентации объекта Ψ,ν,γ и угла θ, определяющего наклон линии визирования РЛС по отношению к плоскости, перпендикулярной оси вращения объекта по углу Ψ:

Для практического использования оператора синтезирования (1) комплексные огибающие Φ отраженного сигнала должны быть зафиксированы в координатах f_x, f_y, f_z.

Поскольку измерения Φ, f, Ψ, ν, γ привязаны ко времени, каждому значению скорректированной комплексной огибающей отраженного сигнала может быть поставлен в соответствие вектор (f_x, f_y, f_z).

И тогда оператор синтезирования (1) выразится как

Измерения производят при дискретных значениях f, Ψ,ν,γ. Вследствие этого преобразование (5) должно быть представлено в дискретной форме. Для этого переменные интегрирования f_x, f_y, f_z заменяют номерами элементов трехмерной матрицы Т

где d - шаг построения элементов матрицы.

Поскольку диапазон изменения координат f_x, f_y, f_z одинаков и равен величина d должна быть одинаковой для f_x, f_y, f_z.

Величина d выбирается из условия обеспечения размещения величин в различные элементы матрицы при различных параметрах f, Ψ,ν,γ. При этом величина d будет зависеть от того, насколько изменяются f, Ψ,ν,γ от измерения к измерению.

На практике выбор величины d целесообразно проводить методом проб: задают размер матрицы N³, размещают измерения в элементы матрицы и фиксируют события повторного размещения в элементы матрицы. Если повторы имели место, то размер матрицы увеличивают до (2N)³ и т.д.

Преобразование (5) в дискретной форме выражается суммой

являющейся трехмерным дискретным преобразованием Фурье.

При N=2^k реализация (6) выполняется с помощью быстрого дискретного преобразования Фурье.

В частном случае, когда углы тангажа и крена являются пренебрежимо малыми либо когда производится их компенсация, предлагаемый способ получения трехмерного РЛИ может быть преобразован в способ получения двумерного РЛИ.

Действительно, при ν,γ≅0 матрица A(Ψ,ν,γ) приобретает вид

И тогда:

Обозначив получим

Угол Ψ₀ определяет начальную ориентацию линии визирования объекта относительно земной системы отчета.

При малых значениях угла α: sin α≈0, cos α≈1

Оператор синтезирования приобретает вид:

Приведение этого оператора к дискретному двумерному преобразованию Фурье аналогично описанному для случая трехмерного варианта.

Построение РЛИ, основанное на использовании предлагаемого способа, проведено методом моделирования.

Задавалась модель объекта в виде совокупности неподвижных относительно связанной системы отсчета Р_ц. Зондирующие сигналы РЛС - импульсы с периодом повторения 20 мкс. Несущая частота сигнала изменялась от импульса к импульсу с шагом 30 мГц в полосе от 2500 до 3500 МГц. Объект вращался по курсу со скоростью 12°/с. Линия визирования (РЛС - объект)составляла θ=3° и 20° по отношению к плоскости, перпендикулярной оси вращения объекта.

Сектор синтезирования Δ_Ψ=90°. Движение объекта по тангажу задавалось в виде гармонического колебания с амплитудой 5° и количеством периодов колебаний 2. Количество заданных Рц - 7. Амплитуды отраженных сигналов полагались одинаковыми для каждого Рц, равными 1. На фигурах 2 и 3 приводится трехмерное изображение объекта с проекциями синтезированных откликов Рц на координатные плоскости при углах визирования θ=3° и θ=20°. При этом сферами показаны положения рассеивающих центров с истинными координатами - в центре сферы. Точками в районе сферы отмечены области, где амплитуда сигнала в синтезированном отклике превышает половину максимального значения.

Значения амплитуд отклика на трехмерном изображении не показаны.

Полученные в откликах значения амплитуд были близкими к единице.

Параметры, при которых получено изображение:

сектор угла курса Δ_Ψ: 90°,

амплитуда тангажа: А_υ=5°,

количество периодов колебаний тангажа: 2,

вертикальный угол визирования объекта θ=3°.

На фигурах 4 и 5 приводится двумерное РЛИ объекта при секторе угла ΔΨ: 10° и двумерное РЛИ объекта при секторе угла ΔΨ: 90°.

Здесь на плоскости (x, z) показаны координаты синтезированных откликов Рц, а в направлении, перпендикулярном плоскости (x, z), отложены амплитуды откликов.

Литература

1. Триангуляционный способ построения двумерного РЛИ цели в РЛС сопровождения с инверсным синтезированием апертуры. Патент RU 2099742 С1, кл. G 01 S 13/89.

2. Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. М.: Радио и связь. 1989.

3. Способ построения двумерного РЛИ прямолинейно летящей цели при многочастотном узкополосном зондировании. Патент RU 2099743 С1, кл. G 01 S 13/89.

4. Зиновьев Ю.С., Пасмуров А.Я. Методы обращенного синтезирования апертуры в радиолокации с помощью узкополосных сигналов. Зарубежная радиоэлектроника. №3, 1985.

5. I.Fortuny. An Efficient 3-D Near-Field ISAR Algorithm. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. Vol.34, №4, October 1998.

6. Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике. М.: Наука, 1973.

Изобретение может быть использовано для получения трехмерного радиолокационного изображения (РЛИ) объекта, который вращается по углу курса, при наличии некоторого движения по углам тангажа и крена. Достигаемым техническим результатом изобретения является повышение точности определения РЛИ. Указанный результат достигается за счет использования специальной фокусирующей функции, а также за счет применения криволинейных координат f_x, f_y, f_z, являющихся функциями частоты и углов ориентации объекта, при этом комплексные огибающие отраженного сигнала размещают в матрицу, по полученной трехмерной матрице синтезированного отклика получают трехмерное РЛИ. 5 ил.

Способ получения трехмерного радиолокационного изображения вращающегося по курсу, тангажу и крену объекта при многочастотном импульсном зондировании, заключающийся в излучении импульсных сигналов с несущей частотой, изменяющейся от импульса к импульсу с шагом Δf в полосе ΔF, приема отраженных сигналов, измерении комплексных огибающих отраженных сигналов Ф, запоминании их в течении времени синтезирования в угловом секторе Δψ, поворота объекта по курсу, образовании матрицы комплексных огибающих и преобразовании ее с помощью быстрого двумерного преобразования Фурье в матрицу синтезированного отклика, определении величины порога по уровню первых боковых лепестков наиболее интенсивного откликом, сравнении значений элементов матрицы с порогом для выделения превышающих порог элементов матрицы, совокупность которых принимают за радиолокационное изображение объекта, отличающийся тем, что при больших секторах угла синтезирования по курсу при наличии вращения объекта по тангажу и крену, измеряют углы курса ψ(t), тангажа ν(t) и крена γ(t) связанной системы отсчета с началом в точке М на оси вращения объекта относительно земной системы отсчета, измеряют координаты точки М и точки 0 фазового центра антенны радиолокационной станции (РЛС) в земной системе отсчета, координаты вектора преобразуют в координаты связанной системы отсчета

с помощью матрицы А(ψ,ν,γ), определяющей переход из связанной в земную систему отсчета, определяют углы ориентации α, β вектора в связанной системе отсчета

R₀ - расстояние от точки 0 фазового центра антенны РЛС до точки М, являющейся центром синтезирования, производят коррекцию фазы в измеренных значениях комплексных огибающих Ф отраженного сигнала на величину где , с - скорость света, f - частота зондирующего сигнала, определяют пространственные частоты

,

,

при значениях λ, α, β, соответствующих моменту времени измерения Ф, скорректированные по фазе значения комплексных огибающих отраженного сигнала размещают в элементы матрицы Т, трехмерные номера которых (l, m, n) определяют по формулам

где d - шаг матрицы Т по координатам f_x, f_y, f_z,

матрицу Т подвергают трехмерному дискретному преобразованию Фурье

и по полученной трехмерной матрице синтезированного отклика определяют трехмерное радиолокационное изображение объекта.