СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИОННОГО ОБЗОРА ПРОСТРАНСТВА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК G01S13/00 

Предлагаемые технические решения относятся к области радиолокации и могут быть использованы в обзорных радиолокационных станциях (РЛС) с игольчатым лучом.

Известны последовательные, параллельные и параллельно-последовательные способы радиолокационного обзора пространства (Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д.Ширмана. М.: Сов. радио, 1970, стр.13).

Известен последовательный способ радиолокационного обзора зоны пространства (далее способ-аналог) за счет кадрового сканирования узкого луча (Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д.Ширмана. М.: Сов. радио, 1970, стр.242, п.3, рис.5.21, в). Преимущество этого способа состоит в высокой точности измерения угловых координат и в высокой разрешающей способности по угловым координатам, что определяется малыми размерами луча.

Количество разрешаемых угловых направлений, которые осматривает при этом обзорная РЛС, определяется в виде:

где ΔВ, ΔЕ - размеры осматриваемой области пространства по азимуту и углу места соответственно;

Δβ, Δε - размер луча по азимуту и по углу места соответственно.

Если период обзора осматриваемой области пространства равен Т, а частота излучения зондирующих сигналов F, то среднее количество зондирующих сигналов, приходящихся на одно угловое направление, равно:

Для современной обзорной РЛС S-диапазона входящие в (2) параметры могут иметь следующие значения: F=400 Гц, Т≤10 с, ΔВ=360°, ΔЕ=60-80°, Δβ, Δε≤2°, при этом из (1) следует n_з≤0.75, т.е. число зондирующих сигналов меньше, чем число угловых направлений, которые следует осматривать. Положение еще более ухудшается, когда появляются обнаруженные цели, поскольку для их сопровождения необходимо затрачивать каждый период обзора число зондирующих сигналов существенно больше 1.

Таким образом, для современных обзорных РЛС S-диапазона с игольчатым лучом существует проблема «импульсного голода», когда РЛС не может зондировать каждый период обзора, каждое угловое направление хотя бы одним зондирующим сигналом. В этом состоит главный недостаток рассматриваемого способа обзора пространства.

Наиболее близкие способы обзора пространства основаны на осмотре частей зоны пространства широкими или узкими лучами.

Наиболее близким способом для первого варианта изобретения является способ радиолокационного обзора зоны пространства, основанный на облучении i-й части зоны широким лучом, охватывающим n_i>1 угловых направлений, и приеме сигналов n_i парциальными каналами с игольчатыми диаграммами направленности антенны (Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д.Ширмана. М.: Сов. радио, 1970, с.241, п.1; с.242, рис.5.21, а). Недостаток этого способа тот же, что и в способе-аналоге, поскольку для сохранения количества энергии, излучаемой в одно угловое направление, необходимо затрачивать на осмотр части зоны в n_i раз больше зондирующих сигналов, чем в способе-аналоге (там же, с.242, 2-й абз. снизу); а кроме того, требуется n_i-канальный приемный тракт. Поэтому при использовании этого способа увеличивают период обзора Т настолько, чтобы получить n_з≥1.

Наиболее близким способом для второго варианта изобретения является способ радиолокационного обзора зоны пространства, основанный на облучении i-й части зоны широким лучом, охватывающим n_i>1 угловых направлений, и приеме сигналов таким же широким лучом. (Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д.Ширмана. М.: Сов. радио, 1970, с.242, п.2; рис.5.21, б). Недостаток этого способа состоит, во-первых, в том же, что и в способе-аналоге, а во-вторых, в низкой точности измерения угловых координат и в низкой разрешающей способности по угловым координатам, что определяется увеличенными размерами луча. И при использовании этого способа увеличивают период обзора Т, чтобы получить n_з≥1.

Таким образом, в обоих способах-прототипах уменьшение концентрации энергии в угловом направлении, возникающее из-за расширения луча в n_i>1 раз по сравнению со способом-аналогом, компенсируют увеличением числа зондирующих сигналов, излучаемых широким лучом, поэтому недостаток рассмотренных способов состоит в том, что они не могут быть использованы при высоких темпах обзора, когда число зондирующих сигналов меньше, чем число угловых направлений в зоне обзора, т.е. в условиях «импульсного голода». В РЛС, в которых недопустимо снижение темпа обзора (за счет увеличения периода обзора Т) эти способы не могут быть использованы.

Заявляемое изобретение направлено на устранение указанного недостатка.

Решаемой задачей (техническим результатом), таким образом, является устранение проблемы «импульсного голода» в обзорных РЛС, т.е. обеспечение возможности обзора зоны пространства РЛС с игольчатым лучом при темпе обзора, при котором число зондирующих сигналов меньше числа угловых направлений, которые следует осмотреть. Заявленный технический результат достигается тем, что в способе радиолокационного обзора зоны пространства, основанном на облучении i-й части зоны широким лучом, охватывающим n_i>1 угловых направлений и приеме сигналов парциальными каналами с игольчатыми диаграммами направленности антенны, переходят к облучению широким лучом (i+1)-й части зоны, содержащей n_i+1>1 угловых направлений, если в i-й части зоны не принят сигнал, превышающий пороговый уровень, а при обнаружении с р≥1 из n_i угловых направлений сигнала, превышающего пороговый уровень, осматривают только эти р направлений, последовательно облучая каждое из них с уменьшенной в n_i раз шириной луча.

Заявленный технический результат достигается тем, что в способе радиолокационного обзора зоны пространства, основанном на облучении i-й части зоны и приеме сигналов широким лучом, охватывающим n_i>1 угловых направлений, переходят к облучению и приему сигналов широким лучом в (i-1)-й части зоны, содержащей n_i+1>1 угловых направлений, если в i-й части зоны не принят сигнал, превышающий пороговый уровень, а при обнаружении сигнала, превышающего пороговый уровень, уменьшают ширину луча РЛС и выполняют последовательный осмотр угловых направлений i-й части зоны.

Так же тем, что при осмотре i-й части зоны широким лучом излучают m≥1 зондирующих сигналов, а при последовательном осмотре n_i направлений одновременно облучают 1≤k<n_i направлений с уменьшенной в n_i/k раз шириной луча.

Так же тем, что при не обнаружении цели при осмотре i-й части зоны с уменьшенной шириной луча переходят к облучению и приему сигналов широким лучом (i+1)-й части зоны.

Так же тем, что при одновременном облучении 1<k<n_i направлений и обнаружении сигнала, превышающего пороговый уровень, в j>1 из n_i/k направлений, осматривают эти j направления, с уменьшенной в n_i/s раз шириной луча одновременно облучая 1≤s<j направлений и т.д. доходя до облучения лишь одного углового направления с уменьшенной в n_i раз шириной луча.

Так же тем, что величину порогового уровня устанавливают на основании расчета допустимой вероятности ошибочного перехода к осмотру этих угловых направлений с уменьшенной в n_i/k раз шириной луча, а число m/n_i - допустимой вероятности ошибочного перехода к осмотру широким лучом следующих угловых направлений.

Так же тем, что при обзоре широким лучом используют узкополосный сигнал.

Суть заявленных способов основывается на следующем.

Современные обзорные РЛС S-диапазона используются в условиях, когда в контролируемом пространстве может одновременно находиться лишь несколько сотен целей. Это означает, что для рассмотренного примера из М≥5000 разрешаемых угловых направлений лишь в малой их доле содержатся цели, а остальные направления являются «пустыми» (т.е. не содержащими целей). Это обстоятельство положено в основе заявляемых способов для решения проблемы «импульсного голода». При обнаружении сигнала по критерию Неймана-Пирсона порог обнаружения устанавливают так, чтобы вероятность превышения его шумом (вероятность ложной тревоги) была очень малой (10^-6 и менее), поскольку ложное обнаружение цели приводит не только к большим затратам средств, но и к отвлечению боевых средств от реальных целей.

В заявляемом же способе ошибочное принятие «пустых» угловых направлений за направления, содержащие цель, приведет лишь к ошибочному переходу к зондированию этих направлений зоны с уменьшенной шириной луча. Причем если вероятность превышения шумом установленного уровня для определения «пустых» направлений в части зоны Р, а общее число частей зоны, осматриваемых широким лучом, М, то в среднем за один период обзора будет совершен ошибочный переход к осмотру с уменьшенной шириной луча в Р·М «пустых» частях зоны (следовательно к напрасной трате зондирующих сигналов), но на осмотр остальных «пустых» направлений будет затрачено зондирующих сигналов меньше, чем число направлений. Это означает, что решение о том, что «пустые» направления или нет, можно принимать с вероятностью ложной тревоги Р>>10^-6, то есть на основе анализа уровня шумов (по критерию Неймана-Пирсона все, что ниже порога обнаружения принимается за шум). Поэтому при осмотре n₀>1 пустых направлений широким лучом может быть затрачен лишь один зондирующий сигнал или на m_xn₀ угловых направлений m зондирующих сигналов.

Для иллюстрации заявленных способов рассмотрим одну из возможных ситуаций.

Предположим, что пороговый уровень при осмотре i-й части зоны (i-порядковый номер части зоны) широким лучом, охватывающим n_i>1 угловых направлений, установлен так, что допускается в среднем в одном направлении каждый период обзора ошибочное обнаружение цели. Это означает, что при приеме сигналов n_i парциальными каналами с игольчатыми диаграммами направленности в одном из n_i угловых направлений будет обнаружен сигнал, превышающий пороговый уровень. После чего на следующем шаге выполнят зондирование этого углового направления при использовании игольчатого луча и порог обнаружения будет повышен до обеспечения уровня ложной тревоги, устанавливаемого при окончательном принятии решения об обнаружении цели, т.е. будет осуществлен переход к обзору зоны пространства по способу-аналогу. Если на этом шаге цель не обнаружена, то принимают решение о том, что эта часть зоны «пустая», и переходят к осмотру зоны широким лучом следующей (i+1)-й части зоны, содержащей n_i+1 угловых направлений.

В рассмотренном случае в среднем на одну «пустую» часть зоны может быть затрачено 2 зондирующих сигнала и тогда n₀=n_i/2. При n_i>2 на просмотр n₀>1 «пустых» направлений будет затрачен один зондирующий сигнал, т.е. будет достигнут заявленный технический результат.

Для случая, когда в РЛС отсутствуют парциальные приемные каналы, в заявленном способе прием осуществляют широким лучом, охватывающим n_i угловых направлений. В этом случае расход зондирующих сигналов на «пустую» часть зоны увеличится.

Возможен следующий вариант. При обзоре i-ю часть зоны облучают лучом, охватывающим все n_i угловые направления, и таким же лучом осуществляют прием сигналов. Если осматриваемая часть «пустая», но из-за пониженного порогового уровня ошибочно обнаружена цель, то следующие шаги делают для определения углового направления, в котором находится цель. При этом могут использовать несколько вариантов. Например, ширину луча уменьшают в 2 раза и последовательно осматривают две половины i-й части зоны, каждая из которых содержит n_i/2 угловых направлений. Если ни в одной из двух половин цель не обнаружена, то всю i-ю часть зоны считают «пустой» и переходят к осмотру (i+1)-й части зоны широким лучом, охватывающим n_i+1 угловых направлений. Если же в одной половине части i-й части зоны обнаружена цель, то ширину луча уменьшают в 4 раза (от первоначального) и последовательно осматривают эту половину 1-й части зоны и т.д., доходя до осмотра углового направления игольчатым лучом. В зависимости от наличия зондирующих сигналов возможны и другие варианты, например, после первого шага, когда при осмотре широким лучом обнаружена цель, перейти сразу к последовательному осмотру i-й части зоны игольчатым лучом.

На любом шаге при осмотре части зоны лучом с уменьшенной шириной, если не подтверждается обнаружение цели в i-й части зоны, принимают решение, что i-я часть зоны «пустая», и переходят к осмотру (i+1)-й части зоны широким лучом.

Следует отметить, что за счет уменьшения ширины луча увеличивают концентрацию энергии, пороговый уровень повышают, достигая снижение уровня ложной тревоги.

На конечном шаге, когда осматривают угловое направление игольчатым лучом, ложная тревога и вероятность обнаружения цели могут быть достигнуты такими же, как и в первом способе-аналоге, но при более высоком темпе обзора за счет того, что, как отмечалось, при осмотре частей зоны, содержащей «пустые» угловые направления на каждые n₀>1 угловых направлений, затрачивают один зондирующий сигнал, после чего луч перебрасывают для осмотра следующих угловых направлений.

В зависимости от допустимой вероятности ошибочного перехода к осмотру (i+1)-й части зоны широким лучом (т.е. вероятности пропуска цели в (i+1)-й части зоны) выбирают величину m/n_i. Т.е. за счет выбора числа зондирующих сигналов, затрачиваемых на осмотр n_i угловых направлений широким лучом, обеспечивают ту же вероятность обнаружения сигнала, что и при последовательном осмотр этих направлений игольчатым лучом, причем соотношение m/n_i<1 обеспечивают тем, что порог обнаружения устанавливают ниже, чем при обзоре игольчатым лучом, допуская повышенную вероятность ложной тревоги.

Сравнивая заявленные способы с прототипами следует подчеркнуть, что если в прототипах снижение концентрации энергии, излучаемой в угловое направление, компенсируют увеличением числа зондирующих сигналов при осмотре части зоны широким лучом, то в заявленных способах - снижением порога обнаружения сигнала, допуская увеличение вероятности ложной тревоги.

Вероятность ложной тревоги при обзоре с пониженным порогом можно снизить путем уменьшения числа элементов разрешения по дальности, что достигают за счет применения узкополосного сигнала. Это допустимо, поскольку на этапе осмотра части зоны широким лучом стоит задача определить «пустые» части зоны, а задача разрешения целей по дальности и ее точное измерение может быть решена при последовательном обзоре игольчатым лучом.

В обоих заявленных способах в случае обнаружения сигнала на конечном шаге при осмотре углового направления игольчатым лучом принимают решение об обнаружении цели и переходят к осмотру следующих угловых направлений этой же части зоны или к осмотру следующей части зоны.

Из изложенного следует, что путем сочетания по новым правилам способов обзора частей зоны пространства широким и игольчатым лучом затрачивают один зондирующий сигнал на осмотр n₀>1 «пустых» угловых направлений и этим обеспечивают обзор зоны пространства с заданным темпом в условиях, когда количество зондирующих сигналов оказывается меньше, чем число угловых направлений, т.е. решить проблему «импульсного голода» в обзорных РЛС. Этим достигается заявленный технический результат.

Предлагаемые технические решения относятся к области радиолокации и могут быть использованы в обзорных радиолокационных станциях (РЛС) с игольчатым лучом. Достигаемым техническим результатом является обеспечение возможности обзора зоны пространства РЛС с игольчатым лучом при темпе обзора, при котором число зондирующих сигналов меньше числа угловых направлений. Заявленный технический результат достигается тем, что в способе радиолокационного обзора зоны пространства, основанном на облучении i-й части зоны широким лучом, охватывающим n_i>1 угловых направлений и приеме сигналов парциальными каналами с игольчатыми диаграммами направленности антенны, переходят к облучению широким лучом (i+1)-й части зоны, содержащей n_i+1>1 угловых направлений, если в i-й части зоны не принят сигнал, превышающий пороговый уровень, а при обнаружении с р≥1 из n_i угловых направлений сигнала, превышающего пороговый уровень, осматривают только эти р направлений, последовательно облучая каждое из них с уменьшенной в n_i раз шириной луча; в способе радиолокационного обзора зоны пространства, основанном на облучении i-й части зоны и приеме сигналов широким лучом, охватывающим n_i>1 угловых направлений, переходят к облучению и приему сигналов широким лучом в (i+1)-й части зоны, содержащей n_i+1>1 угловых направлений, если в i-й части зоны не принят сигнал, превышающий пороговый уровень, а при обнаружении сигнала, превышающего пороговый уровень, уменьшают ширину луча РЛС и выполняют последовательный осмотр угловых направлений i-й части зоны; при осмотре i-й части зоны широким лучом излучают m≥1 зондирующих сигналов, а при последовательном осмотре n_i направлений одновременно облучают 1≤k<n_i направлений с уменьшенной в n_i/k раз шириной луча; при необнаружении цели при осмотре i-й части зоны с уменьшенной шириной луча переходят к облучению и приему сигналов широким лучом (i+1)-й части зоны; при одновременном облучении 1<k<n_i направлений и обнаружении сигнала, превышающего пороговый уровень, в j>1 из n_i/k направлений, осматривают эти j направления с уменьшенной в n_i/s раз шириной луча, одновременно облучая 1≤s<j направлений и т.д. доходя до облучения лишь одного углового направления с уменьшенной в n_i раз шириной луча; величину порогового уровня устанавливают на основании расчета допустимой вероятности ошибочного перехода к осмотру этих угловых направлений с уменьшенной в n_i/k раз шириной луча, а число m/n_i - допустимой вероятности ошибочного перехода к осмотру широким лучом следующих угловых направлений; при обзоре широким лучом используют узкополосный сигнал. 2 н. и 5 з.п. ф-лы.

1. Способ радиолокационного обзора зоны пространства, основанный на облучении i-й части зоны широким лучом, охватывающим n_i>1 угловых направлений и приеме сигналов парциальными каналами с игольчатыми диаграммами направленности антенны, отличающийся тем, что переходят к облучению широким лучом (i+1)-й части зоны, содержащей n_i+1>1 угловых направлений, если в i-й части зоны не принят сигнал, превышающий пороговый уровень, а при обнаружении с р≥1 из n_i угловых направлений сигнала, превышающего пороговый уровень, осматривают только эти р направлений, последовательно облучая каждое из них с уменьшенной в n_i раз шириной луча.

2. Способ радиолокационного обзора зоны пространства, основанный на облучении i-й части зоны и приеме сигналов широким лучом, охватывающим n_i>1 угловых направлений, отличающийся тем, что переходят к облучению и приему сигналов широким лучом (i+1)-й части зоны, содержащей n_i+1>1 угловых направлений, если в i-й части зоны не принят сигнал, превышающий пороговый уровень, а при обнаружении сигнала, превышающего пороговый уровень, уменьшают ширину луча РЛС и выполняют последовательный осмотр угловых направлений i-й части зоны.

3. Способ, по п.2, отличающийся тем, что при осмотре i-й части зоны широким лучом излучают m≥1 зондирующих сигналов, а при последовательном осмотре n_i направлений, одновременно облучают 1≤k<n_i направлений с уменьшенной в n_i/k раз шириной луча.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что при не обнаружении цели при осмотре i-й части зоны с уменьшенной шириной луча переходят к облучению и приему сигналов широким лучом (i+1)-й части зоны.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что при одновременном облучении 1<k<n_i направлений и обнаружении сигнала, превышающего пороговый уровень, в j>1 из n_i/k направлений, осматривают эти j направления, с уменьшенной в n_i/s раз шириной луча одновременно облучая 1≤s<j направлений и так далее доходя до облучения лишь одного углового направления с уменьшенной в n_i раз шириной луча.

6. Способ по п.3, отличающийся тем, что величину порогового уровня устанавливают на основании расчета допустимой вероятности ошибочного перехода к осмотру этих угловых направлений с уменьшенной в n/k раз шириной луча, а число
m/n_i - допустимой вероятности ошибочного перехода к осмотру широким лучом следующих угловых направлений.

7. Способ, по п.2, отличающийся тем, что при обзоре широким лучом используют узкополосный сигнал.