СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ ЦЕЛИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2013 года по МПК G01S13/00 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для определения угловых координат целей.

Определение угловых координат целей с достаточной точностью является одной из важнейших задач РЛС. Существуют различные способы определения этих координат.

Известен амплитудный моноимпульсный способ определения угловых координат [Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д.Ширмана, «Советское радио», М., 1970, стр.296-301, Рис.5.60, Рис.5.61, стр.297], который реализуется с помощью двух приемных каналов. Суть способа состоит в том, что для определения угловых координат цели вычисляют величину отклонения направления зондирования от углового направления на цель на основе заранее установленной зависимости величины отклонения от отношения амплитуд сигналов, принятых двумя каналами при смещенных на некоторый угол двух лучах диаграммы направленности антенны (ДНА) (см. Фиг.1, где U₁, U₂ - амплитуды сигналов в 1-ом и 2-ом каналах соответственно; F₁(θ), F₂(θ) - диаграммы направленности антенны 1-го и 2-го лучей или зависимости уровня ДНА, т.е. коэффициента усиления антенны от углового положения цели θ; F_1max, F_2max - максимумы уровней ДНА 1-го и 2-го лучей, θ_см - величина смещения лучей). При отклонении равносигнального направления (РСН) (см. Фиг.2, θ_Ц) от направления на цель (Ц на Фиг.2) уровень ДНА (коэффициент усиления антенны) в направлении на цель для этих двух лучей будет различным (на Фиг.2: θ₁, θ₂ - направления максимумов коэффициента усиления 1-го и 2-го луча соответственно; θ₀ - величина отклонения направления максимума коэффициента усиления 1-го луча от РСН; θ_Ц - величина отклонения РСН от углового положения цели; Ц - цель). Это различие и несет информацию о величине отклонения от РСН, а следовательно, и об угловой координате цели. Так как зависимость отношения амплитуд от углового положения цели имеет монотонный характер лишь в узком диапазоне угловых отклонений, а за пределами этого диапазона угловых отклонений измерения оказываются неоднозначными (зоны неоднозначности 1, 2) [Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д.Ширмана, «Советское радио», М., 1970, стр.297, рис.5.61б], Фиг.1, при необходимости проводят дополнительные зондирования.

Достоинством способа является возможность измерения угловых координат по одному зондирующему сигналу.

Недостатком способа является наличие двух приемных каналов, что не всегда может быть реализовано, особенно в мобильных РЛС кругового обзора, и труднореализуемо при модернизации РЛС с одноканальным построением приемного тракта.

Наиболее близким к заявляемому способом измерения угловых координат является одноканальный способ измерения угловой координаты при дискретном сканировании лучом ДНА, основанный на определении отношения амплитуд сигналов, принятых последовательно во времени в двух угловых положениях луча ДНА [Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. М. «Радио и связь», 1986, стр.100, рис.2.20], Фиг.2 (Использование различий в амплитуде принимаемых сигналов за счет различия коэффициентов усиления антенны в направлении на цель является общим для обоих способов, поэтому Фиг.2 использовалась и для пояснения двухканального способа).

Суть способа заключается в следующем. При дискретном сканировании луч ДНА последовательно во времени через интервал ΔT>>τ_u (τ_u - длительность зондирующего сигнала) занимает два фиксированных положения с угловыми направлениями максимума излучения θ₁ и θ₂. В каждом фиксированном угловом направлении θ₁ и θ₂ излучают соответственно n₁ и n₂ сигналов. Принимают отраженные от цели сигналы с угловых направлений θ₁, θ₂ и измеряют амплитуды соответствующих сигналов на выходе приемника A_1i, A_2i, где i=1,…n. Определяют отношение амплитуд A_1i/A_2i и, используя заранее установленную зависимость величины отношения амплитуд A_1i/A_2i от величины отклонения от равносигнального направления (Фиг.2), определяют угловую координату цели.

Таким образом, в наиболее близком способе при смещении цели на угол θ_Ц относительно РСН коэффициенты усиления антенны в направлении на цель для этих двух лучей, так же как и в двухканальном варианте, будут различными (Фиг.2). Следовательно, амплитуды принятых сигналов будут также различными. По отношению амплитуд этих сигналов определяют угловое положение цели (Фиг.2, Ц). В общем случае можно сказать, что суть способа состоит в изменении формы ДНА за интервал времени между двумя зондированиями таким образом, чтобы при отклонении цели от РСН амплитуды принятых сигналов были различными из-за разных значений коэффициента усиления антенны в направлении на цель.

Недостатком наиболее близкого способа является зависимость точности измерений от флюктуации вторичного излучения цели, поскольку амплитуды n₁ и n₂ сигналов из-за этого могут значительно отличаться, причем влияние флюктуации тем больше, чем больше ΔT [Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д.Ширмана, «Советское радио», М., 1970, стр.296, второй абзац снизу; стр.67, два последних абзаца; стр.68, первый абзац]. Кроме того, недостатком наиболее близкого способа является необходимость использования n₁ и n₂ сигналов в каждом из направлений θ₁, θ₂. Это увеличивает время измерения угловой координаты.

Возникает противоречие: попытка реализовать одноканальный вариант измерения углового положения цели приводит к необходимости обеспечения времени измерения ΔT>>τ_u, что приводит к возрастанию влияния флюктуации вторичного излучения цели и к увеличению времени измерения угловой координаты. Изобретение направлено на устранение этого противоречия.

Техническим результатом (решаемой задачей) является устранение этих недостатков, а именно обеспечение возможности определения угловых координат цели при наличии флюктуации вторичного излучения цели при одноканальном построении приемного устройства РЛС. Данный технический результат достигается за счет изменения коэффициента усиления антенны в направлении на цель за время действия одного зондирующего сигнала. При этом флюктуации вторичного излучения цели оказываются несущественными.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения угловых координат цели, заключающемся в зондировании углового направления и приеме отраженных от цели сигналов при различных значениях коэффициента усиления антенны в направлении на цель, в определении величины отклонения направления зондирования от направления на цель на основе установленной зависимости отношения амплитуд принятых сигналов от величины отклонения, согласно изобретению в процессе приема отраженных от цели широкополосных сигналов сканируют лучом антенны в угловом секторе, вокруг направления зондирования, с периодом, меньшим длительности сигнала, и в качестве сигналов для определения величины отклонения зондирования от направления на цель берут боковой лепесток, образованный за счет сканирования лучом антенны, и основной лепесток сжатого сигнала.

Указанный технический результат достигается также тем, что согласно изобретению, при необходимости, осуществляют дополнительное уточняющее зондирование со смещением углового направления.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе определения угловых координат цели, заключающемся в зондировании углового направления и приеме отраженных от цели сигналов при различных значениях коэффициента усиления антенны в направлении на цель, в определении величины отклонения направления зондирования от направления на цель на основе установленной зависимости отношения амплитуд принятых сигналов от величины отклонения, согласно изобретению в процессе приема отраженных от цели широкополосных сигналов изменяют форму диаграммы направленности антенны путем модуляции ее амплитудного или фазового распределения с периодом, меньшим длительности сигнала, и в качестве сигналов для определения величины отклонения направления зондирования от направления на цель берут боковой лепесток, образованный за счет модуляции, и основной лепесток сжатого сигнала.

Указанный технический результат достигается также тем, что согласно изобретению, при необходимости, осуществляют дополнительное уточняющее зондирование со смещением углового направления.

Предлагаемые технические решения основаны на следующем. В обоих изобретениях осуществляют периодическое изменение коэффициента усиления антенны в направлении на цель за время длительности сигнала. Это приводит к тому, что разные части сигнала принимаются при различных значениях коэффициента усиления антенны, в результате чего огибающая спектра сигнала оказывается промодулированной. Известно, что, если огибающая спектра широкополосного сигнала шириной В имеет более одного выброса амплитуды или фазы n>1 с относительной величиной a_n, то после его весовой обработки будет получено три немодулированных импульса: сжатый импульс и два боковых лепестка с относительным уровнем, зависящим от уровня модуляции и максимально равным a_n/₂, расположенных на временной оси относительно основного лепестка сжатого сигнала на расстоянии ±n/В [Справочник по радиолокации. Под ред. М.Сколника. Т.3, М., Сов. Радио, 1979, с.430, 3-й абз., таблица 8, с.431-432, рис.25, с.433, с.438, последний абз.].

Относительный уровень бокового лепестка - это отношение уровня бокового лепестка к уровню основного лепестка сжатого сигнала.

Изобретения поясняются следующими чертежами.

На фиг.1 показан чертеж, иллюстрирующий моноимпульсный двухканальный способ измерения угловых координат, где U₁, U₂ - амплитуды сигналов в 1-ом и 2-ом каналах соответственно; F₁(θ), F₂(θ) - диаграммы направленности антенны 1-го и 2-го лучей соответственно (зависимости уровня ДНА, т.е. коэффициента усиления антенны от углового положения цели θ); F_1max, F_2max - максимумы уровней ДНА 1-го и 2-го лучей, θ_см - величина смещения лучей. Нижняя часть рисунка показывает зависимость отношения амплитуд от углового положения цели. Эта зависимость устанавливается заранее в виде расчетных или измеренных табличных данных и используется далее при измерении угловых координат. Показаны также зоны неоднозначности измерений 1 и 2.

На фиг.2 поясняется одноканальный способ измерения угловой координаты цели при дискретном сканировании (этот же рисунок иллюстрирует моноимпульсный двухканальный способ ввиду схожести принципов их построения). Обозначены: θ₁, θ₂ - угловые направления соответственно первого и второго лучей ДНА при дискретном сканировании; РСН - равносигнальное направление, т.е. в данном угловом направлении принимаются сигналы одинакового уровня (коэффициенты усиления антенны для 1-го и 2-го лучей в данном угловом направлении одинаковы); θ₀ - отклонение углового направления 1-го луча от РСН (такую же величину углового отклонения имеет 2-й луч); θ_Ц - отклонение РСН от углового положения цели Ц.

На фиг.3 поясняется способ по п.1 формулы. На нижнем рисунке показана зависимость относительного уровня бокового лепестка сжатого сигнала, появляющегося в результате сканирования вокруг направления зондирования с периодом, меньшим длительности сигнала, от величины отклонения направления зондирования от направления на цель. Эта зависимость устанавливается заранее расчетным путем или экспериментально и используется далее при измерении угловых координат. Показаны зоны неоднозначности измерений 1 и 2.

На фиг.4 поясняется способ по п.3 формулы. На нижней части рисунка показана зависимость относительного уровня бокового лепестка сжатого сигнала, появляющегося в результате изменения формы ДНА за время длительности сигнала, от величины отклонения направления зондирования от направления на цель. Эта зависимость устанавливается заранее расчетным путем или экспериментально и используется далее при измерении угловых координат. Показаны зоны неоднозначности измерений 1 и 2.

Изобретение по п.1 формулы осуществляется путем сканирования лучом ДНА, как и в наиболее близком способе. Однако в отличие от наиболее близкого способа это делается в интервале времени, равном длительности сигнала, что приводит к изменению коэффициента усиления антенны в направлении на цель за время длительности сигнала и в итоге к модуляции огибающей спектра сигнала. Причем для определения величины отклонения от углового направления на цель используется боковой лепесток сжатого сигнала, относительный уровень которого может достигать 0.5 при отклонении направления зондирования от направления на цель на ≈1/2 ширины ДНА (для случая, изображенного на Фиг.3).

В изобретении по п.2 формулы изменение коэффициента усиления антенны осуществляют путем периодического изменения формы ДНА за время, равное длительности сигнала, с помощью изменения амплитудного или фазового распределения, как, например, в патенте №2226704 RU. Если изменять амплитудное распределение поля в раскрыве антенны в диапазоне от равномерного до весового, например, по Хэммингу, то относительный уровень боковых лепестков сжатого сигнала составит величину, близкую к нулю, если направление луча ДНА совпадает с направлением на цель, и порядка 0.5, если направление луча ДНА смещено на половину ширины ДНА от направления на цель (для случая, изображенного на Фиг.4).

Таким образом, в предлагаемых способах информация об уровне модуляции амплитуды широкополосного сигнала содержится в относительном уровне появляющихся после сжатия сигнала в результате этой модуляции боковых лепестков, то есть относительный уровень бокового лепестка сжатого сигнала несет информацию о положении луча ДНА относительно направления на цель. Появление в определенный момент времени, зависящий от частоты модуляции, бокового лепестка сжатого сигнала означает, что направление зондирования осуществлено со смещением относительно направления на цель, а относительный уровень этого бокового лепестка (отношение амплитуды в боковом лепестке к амплитуде основного лепестка сжатого сигнала) несет информацию о величине этого смещения.

Необходимость в отдельных случаях дополнительного уточняющего зондирования определяется следующим. При непрерывном последовательном круговом обзоре зона сканирования может перемещаться следующим образом (Фиг.3): вначале цель будет находиться в зоне неоднозначности 1, затем - в области, прилегающей к направлению зондирования, и далее в зоне неоднозначности 2. В этом случае дополнительных зондирований не требуется, поскольку в результате последовательного приема (т.е. неоднократного) сигнала в разных угловых направлениях неоднозначность будет устранена. Если же обзор осуществляется дискретно (с пропусками) или осуществляется осмотр экстраполированного строба при сопровождении цели, то, как и в известных технических решениях, при попадании цели в зону неоднозначности потребуется дополнительное зондирование для устранения неоднозначности измерения угловой координаты.

Таким образом, заявленные способы обеспечивают определение угловой координаты цели при одноканальном построении приемного устройства и наличии флюктуации вторичного излучения, чем и достигается технический результат изобретения.

Изобретение предназначено для определения угловых координат целей. Достигаемый технический результат изобретения - обеспечение возможности определения угловых координат цели при наличии флюктуации вторичного излучения цели при одноканальном построении приемного устройства РЛС. Данный результат достигается за счет изменения коэффициента усиления антенны в направлении на цель за время действия одного зондирующего сигнала. Заявлены два способа определения угловых координат цели, которые заключаются в зондировании углового направления и приеме отраженных от цели сигналов при различных значениях коэффициента усиления антенны в направлении на цель, в определении величины отклонения направления зондирования от направления на цель на основе установленной зависимости отношения амплитуд принятых сигналов от величины отклонения. При этом в первом способе в процессе приема отраженных от цели широкополосных сигналов сканируют лучом антенны в угловом секторе, вокруг направления зондирования, с периодом, меньшим длительности сигнала, и в качестве сигналов для определения величины отклонения направления зондирования от направления на цель берут боковой лепесток сжатого сигнала, образованный за счет сканирования лучом антенны, и основной лепесток сжатого сигнала. Во втором способе в процессе приема отраженных от цели широкополосных сигналов изменяют форму диаграммы направленности антенны путем модуляции ее амплитудного или фазового распределения с периодом, меньшим длительности сигнала, и в качестве сигналов для определения величины отклонения направления зондирования от направления на цель берут боковой лепесток, образованный за счет модуляции, и основной лепесток сжатого сигнала. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ определения угловых координат цели, заключающийся в зондировании углового направления и приеме отраженных от цели сигналов при различных значениях коэффициента усиления антенны в направлении на цель, в определении величины отклонения направления зондирования от направления на цель на основе установленной зависимости отношения амплитуд принятых сигналов от величины отклонения, отличающийся тем, что в процессе приема отраженных от цели широкополосных сигналов сканируют лучом антенны в угловом секторе, вокруг направления зондирования, с периодом, меньшим длительности сигнала, и в качестве сигналов для определения величины отклонения зондирования от направления на цель берут боковой лепесток, образованный за счет сканирования лучом антенны, и основной лепесток сжатого сигнала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при необходимости осуществляют дополнительное уточняющее зондирование со смещением углового направления.

3. Способ определения угловых координат цели, заключающийся в зондировании углового направления и приеме отраженных от цели сигналов при различных значениях коэффициента усиления антенны в направлении на цель, в определении величины отклонения направления зондирования от направления на цель на основе установленной зависимости отношения амплитуд принятых сигналов от величины отклонения, отличающийся тем, что в процессе приема отраженных от цели широкополосных сигналов изменяют форму диаграммы направленности антенны путем модуляции ее амплитудного или фазового распределения с периодом, меньшим длительности сигнала, и в качестве сигналов для определения величины отклонения направления зондирования от направления на цель берут боковой лепесток, образованный за счет модуляции, и основной лепесток сжатого сигнала.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что при необходимости осуществляют дополнительное уточняющее зондирование со смещением углового направления.