СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИИ НЕЛИНЕЙНО-ИНЕРЦИОННЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2013 года по МПК G01S13/02 

Описание патента на изобретение RU2480783C1

Изобретение относится к технике ближней радиолокации, а именно к методам и средствам поиска, обнаружения и распознавания нелинейно-рассеивающих объектов (НРО).

Известны способы нелинейной радиолокации [1; 2], в которых осуществляется облучение НРО зондирующим сигналом (ЗС) в виде одного или двух гармонических колебаний и регистрация в приемнике радиолокатора энергии отраженного сигнала на кратных и/или комбинационных частотах.

Множество НРО можно разбить на две группы, различающиеся электрофизическими свойствами НРО:

- RLC-объекты, модель которых в виде эквивалентной электрической цепей содержат нелинейные резисторные (R) элементы и инерционные элементы - индуктивные (L) и/или емкостные (С). Типичным представителем RLC-объектов являются мобильные телефоны, электронные подслушивающие устройства, приемные устройства радиоуправляемых взрывателей и т.п.;

- R-объекты, электрическая модель которых содержат лишь нелинейные резисторные элементы. Типичными представителями R-объектов являются элементы стальных конструкций, сварные или клепаные, подверженных коррозии и ржавчине [3].

Предполагается, что в рассматриваемом способе именно RLC-объекты представляют собой интересующие нас НРО.

Недостаток аналогов состоит в низкой эффективности процедуры обнаружения RLC-объектов. Это объясняется присутствием в районе поиска большого количества R-объектов, поток сигналов от которых на входе нелинейного радиолокатора существенно повышает уровень ложных тревог и снижает тем самым эффективность поиска и обнаружения RLC-объектов. Вместе с тем, выделяемая в аналогах энергия отраженного от HPO сигнала не обладает достаточной информативностью для вскрытия надежных признаков распознавания RLC-объектов и R-объектов.

Наиболее близким среди аналогов является способ нелинейной радиолокации [1; 2], заключающийся в излучении гармонического колебания G(t) частоты f1 в направлении НРО, приеме отраженного сигнала R(t), выделении из него колебания на двойной частоте f2=2f1 и вынесении решения об обнаружении НРО путем сравнения энергии принятого сигнала с порогом. Чтобы максимально приблизить прототип к предложенному способу, введем следующие уточнения его модели:

- обозначим через Т время, отводимое для обнаружения НРО в заданной точке пространства;

- ЗС прототипа представим как последовательность гармонических колебаний Gn, n=1, 2, …, N, излучаемых поочередно, в соответствии с индексом «n», в течение соответствующих временных периодов Tn:

каждый длительностью τ=T/N. Все Gn обладают собственной когерентностью в течение временных интервалов Tn (1), которые можно назвать периодами когерентности ЗС. Между собой колебания Gn не обязательно должны быть когерентными. Мощности pn всех колебаний Gn предполагаются одинаковыми, не зависящими от «n»;

- аналогично отраженный от НРО сигнал R(t) может быть представлен в виде последовательности сигналов Rn, n=1, 2, …, N, поступающих в приемник нелинейного радиолокатора также поочередно, в соответствии с индексом «n». Учитывая малые размеры искомых НРО, длительность каждого из Rn совпадает с τ. Кроме того, предполагая малую дальность до искомого НРО, а следовательно, малую задержку отраженного сигнала по сравнению с длительностью τ=T/N, интервалы существования Rn можно выбрать совпадающими с периодами когерентности Tn(1);

- выделение колебания на двойной частоте f2=2f1 осуществляется методом синхронного детектирования каждого из Rn в течение соответствующего периода когерентности Tn, т.е. весь временной интервал 0≤t≤T состоит N периодов синхронного детектирования, каждый длительностью τ.

Недостаток прототипа состоит в низкой эффективности обнаружения RLC-объектов на фоне потока «ложных» сигналов от R-объектов.

Целью изобретения является повышение эффективности обнаружения RLC-объектов.

Для достижения поставленной цели в способе-прототипе, заключающемся в генерации последовательности гармонических колебаний Gn, n=1, 2, …, N, частоты f1, поочередном, в соответствии с индексом «n», излучении Gn в направлении искомого объекта, приеме соответствующих отраженных сигналов Rn, n=1, 2, …, N с выделением в них сигналов удвоенной частоты f2=2f1, определении комплексных огибающих Zn принятых сигналов Rn, измерении суммарной мощности принятых сигналов PΣ=ΣZnZn* и принятии решения об обнаружении нелинейно-рассеивающего объекта путем сравнения выходной величины устройства обработки с порогом, согласно изобретению дополнительно осуществляется изменение мощности генерируемых колебаний Gn, формирование последовательности опорных сигналов Sn, n=1, 2, …, N путем ограничения Gn и выделения в них колебаний удвоенной частоты f2, определение комплексных огибающих Wn опорных сигналов Sn, вычисление комплексных коэффициентов межпериодной корреляции KZ,n=Zn+1Zn* и KW,n=Wn+1Wn* огибающих Zn и Wn соответственно, вычисление коэффициентов взаимной межпериодной корреляции Kn=Im(KZ,nKW,n*) и их модульных значений [Kn], вычисление результирующего коэффициента корреляции KΣ=Σ[Kn], причем в качестве выходной величины устройства обработки используется КΣ, а в качестве порога используется величина, пропорциональная РΣ.

На фиг.1 изображена возможная схема нелинейного радиолокатора, реализующая предложенный способ, элементы 1-11 которой несут следующее техническое содержание: 1 - синтезатор частот f1 и f2=2f1; 2 - усилитель мощности; 3 - блок управления мощностью излучаемого сигнала; 4 - приемник отраженных сигналов; 5 - устройство формирования опорных сигналов двойной частоты f2=2f1; 6 - синхронный детектор приемника; 7 - синхронный детектор передатчика; 8 - арифметическое устройство; 9 - первая пороговая схема; 10 - ключевая схема; 11 - вторая пороговая схема. Элементы 1, 2 и 3 образуют передатчик радиолокатора.

Функционирование предложенного способа удобно рассматривать, обращаясь к схеме нелинейного радиолокатора, фиг.1. Предварительно сделаем следующее замечание. Среди различных моделей RLC-объектов нас будут интересовать лишь те из них, нелинейные резисторные элементы (R) которых обладают следующей отличительной особенностью: их вольт-амперная характеристика обязана содержать квадратичную парциальную составляющую, удваивающую частоту f1 ЗС, в результате чего в отраженных сигналах Rn будет присутствовать составляющая на двойной частоте f2=2f1.

Синтезатор 1 вырабатывает непрерывное гармоническое колебание частоты f1, которое с его первого выхода поступает на основной вход усилителя 2, на вспомогательный вход которого поступает сигнал от блока 3, управляющего выходной мощностью усилителя 2 с таким расчетом, чтобы мощность pn парциального гармонического колебания Gn на выходе передатчика зависела от «n», например изменялась по ступенчатому закону

с постоянным шагом Δр.

В предложенном способе не исключается ситуация, когда вариации мощности ЗС могут сопровождаться искажениями фазы ЗС

где ψn - случайная фаза, меняющаяся от одного периода когерентности Tn к другому. Даже если колебание частоты f1 с выхода синтезатора 1 сохраняет свою когерентность в течение всего времени обнаружения Т, колебания Gn перестают быть когерентными между собой после вариации мощности ЗС.

Сигналы Rn принимаются приемной антенной и, пройдя приемник 4, в котором осуществляется их предварительная фильтрация на двойной частоте f2, поступают на основной вход синхронного детектора 6. Комплексные огибающие Zn принятых сигналов Rn, соответствующие колебаниям Gn ЗС

имеют амплитуду An и фазу, состоящую из двух слагаемых:

- φn, фаза НРО, характеризующая электрофизические свойства НРО;

- 2ψn, случайная фаза, «навязанная» фазой ЗС (3).

Устройство 5 формирует опорные сигналы Sn в каждый n-й период когерентности Tn. Для этого выходные колебания передатчика Gn частоты f1 ограничиваются по амплитуде с последующей их фильтровой обработкой, которая подавляет частоту f1 и все кратные f1 частоты, кроме составляющей на частоте f2=2f1, в результате чего на выходе 5 формируется последовательность опорных гармонических сигналов Sn, n=1, 2, …, N, на двойной частоте f2, с постоянной - не зависящей от «n» - амплитудой и с фазой, меняющейся от одного периода когерентности Tn к другому по случайному закону и равной удвоенной фазе колебания Gn. Комплексные огибающие Wn опорных сигналов Sn имеют вид:

При этом предполагается, что постоянная времени фильтра устройства 5 значительно меньше длительности T/N. По существу, устройство 5 имитирует процесс умножения частоты, происходящий в резисторном элементе HPO. Сигналы Sn поступают на основной вход синхронного детектора 7.

На двойные вспомогательные входы синхронных детекторов 6 и 7 подаются квадратурные колебания Cos2πf2t и Sin2πf2t частоты f2 со второго выхода синтезатора 1, в результате чего на двойных выходах синхронного детектора 6 получаем квадратурные составляющие Xn и Yn комплексных огибающих Zn принятых сигналов Rn:

а на двойных выходах синхронного детектора 7 - квадратурные составляющие Un и Vn комплексных огибающих Wn опорных сигналов Sn:

В конце каждого из Tn квадратурные составляющие Xn, Yn, Un, Vn преобразуются в цифровую форму и поступают на входы арифметического устройства 8, где вычисляются:

- отсчеты мощности принятых сигналов Rn:

- комплексные коэффициенты межпериодной корреляции огибающих Zn:

- комплексные коэффициенты межпериодной корреляции огибающих Wn:

- коэффициенты взаимной межпериодной корреляции

- суммарная мощность принятых сигналов Rn:

- результирующий коэффициент корреляции:

где «*» - знак комплексного сопряжения, «Im» - оператор выделения мнимой части комплексного числа, [Kn] - модульные значения Kn.

Сущность проводимых в устройстве 8 вычислений вытекает из амплитудно-фазовых представлений (4), (5) комплексных огибающих Zn и Wn после подстановки их в (8), (9) и с последующей подстановкой (8), (9) в (10), (11):

Согласно (15) коэффициенты Kn пропорциональны взвешенным значениям синуса разности фаз НРО (φn+1n) в соседних периодах излучения ЗС. Предполагая в (15) малость между периодных приращений фаз НРО:

алгоритм (11) можно рассматривать как подавление коррелированных составляющих в последовательности фаз HPO {φn} и выделения в ней слабо коррелированных величин. Кроме того, алгоритм (11) позволяет нейтрализовать отрицательное влияния фазовой неопределенности ЗС на эффективность нелинейного радиолокатора, что следует из того, что в (15) отсутствуют случайные фазы ψn ЗС.

Величина РΣ сравнивается в первой пороговой схеме 9 с мощностью внутренних шумов радиолокатора, где принимается положительное или отрицательное решение об обнаружении НРО, независимо от того, является он R-объектом или RLC-объектом. Заметим, что вычисление РΣ и сравнение PΣ c порогом выполняются также и в прототипе. В случае положительного решения ключевая схема 10 дает разрешение на сравнение во второй пороговой схеме 11 коэффициента КΣ с порогом, пропорциональным величине РΣ. В случае превышения этого порога принимается решение об обнаружении именно RLC-объекта.

Дадим физическую интерпретацию всего алгоритма обнаружения RLC-объекта. Функцию, выполняемую пороговой схемой 11, можно рассматривать как измерение отношения КΣΣ и сравнения его с порогом. С учетом того, что:

весь алгоритм обнаружения RLC-объекта можно интерпретировать как сравнение с порогом среднего значения модуля приращения фазы HPO:

где усреднение осуществляется с весовыми коэффициентами An+1An.

Перейдем к обоснованию эффективности предложенного способа. Исходной предпосылкой к созданию предложенного способа является известное свойство токов в нелинейно-инерционных электрических цепях [4, 5], заключающееся в том, что не только амплитуды, но и фазы токов функционально зависят от амплитуды гармонического источника электродвижущей силы в этих цепях. Применительно к рассматриваемой ситуации это означает зависимость не только амплитуды А отраженного от RLC-объекта сигнала, но и его фазы φ от мощности ЗС. Вместе с тем, при наблюдении R-объектов фаза φ отраженного сигнала не зависит от мощности ЗС, хотя зависимость его амплитуды А от мощности ЗС сохраняется. Поэтому входящие в (15) приращения фазы (φn+1n), определяющие величину КΣ, будут иметь заметные отклонения от нулевого значения лишь при наблюдении RLC-объектов, а при наблюдении R-объектов эти приращения, а следовательно, и величина КΣ будут близки к нулевым значениям. В результате отношение КΣΣ будет значительно больше в случае наблюдения RLC-объектов, чем в случае наблюдения R-объекта, что позволяет рассматривать отношение КΣΣ в качестве параметра, по которому можно осуществить распознавание RLC-объектов и R-объектов.

Выше неявно предполагалось, что относительное расположение искомого RLC-объекта и радиолокатора в течение времени обнаружения Т остается неизменным. Очевидно, что при смене предполагаемого места нахождения искомого RLC-объекта рассмотренный выше процесс излучения ЗС и обработки отраженного сигнала повторяется.

Величина Т лежит приблизительно пределах от долей до нескольких секунд, N≈5-10, а величины начальной мощности ЗС р0 и шага Δр определяются по результатам эталонных испытаний по обнаружению типовых RLC-объектов.

В заключение отметим, что предложенный способ может быть использован в различных нелинейных радиолокаторах, выделяющих из отраженного сигнала не только вторую, но и любую другую кратную гармонику при облучении НРО одним гармоническим колебанием или комбинационные частоты в случае облучения HPO двумя и более гармоническими колебаниями.

Необходимые для этого изменения в схеме предложенного устройства очевидны.

Источники информации

1. Мусабеков П.М., Панычев С.Н. Нелинейная радиолокация: методы, техника и область применения. Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники, 2000 г., №5, с.54-61.

2. Беляев В.В., Маюнов А.Т., Разиньков С.Н. Состояние и перспективы развития «нелинейной» радиолокации. Успехи современной радиолокации, 2002 г., №6, с.59-78.

3. Штейншлейгер В.Б. Нелинейное рассеяние радиоволн металлическими объектами. Успехи физических наук, 1984 г., том 142, вып.1, с.131-145.

4. Бессонов Л.А. Нелинейные электрические цепи. Высшая школа, 1977 г.

5. Данилов Л.В., Матханов П.Н., Филиппов Е.С. Теория нелинейных электрических цепей. Энергоатомиздат, 1990 г.

Похожие патенты RU2480783C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ НЕЛИНЕЙНОЙ РАДИОЛОКАЦИИ 2011
  • Симонов Андрей Владимирович
  • Ткач Владимир Николаевич
  • Ткачев Дмитрий Викторович
RU2450287C1
СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИИ ОБЪЕКТОВ С ИНЕРЦИОННОЙ НЕЛИНЕЙНОСТЬЮ 2013
  • Симонов Владимир Иванович
RU2510765C1
Способ обнаружения объектов беспроводных сетей передачи информации 2018
  • Симонов Андрей Владимирович
RU2696851C1
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО НЕЛИНЕЙНОЙ РАДИОЛОКАЦИИ 2011
  • Ирхин Владимир Иванович
  • Матюгин Сергей Никандрович
RU2474839C1
Способ и устройство обнаружения радиоуправляемых взрывных устройств с применением беспилотного летательного аппарата 2018
  • Анисимов Игорь Владиленович
  • Мазаев Артем Николаевич
  • Парфенцев Игорь Валерьевич
  • Ткач Владимир Николаевич
  • Ткач Никита Владимирович
RU2745658C2
СПОСОБ ПОИСКА, ОБНАРУЖЕНИЯ И РАСПОЗНАВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ 2010
  • Горовой Александр Николаевич
  • Лукашук Александр Михайлович
  • Мирошниченко Анатолий Яковлевич
RU2432583C1
СПОСОБ НЕЛИНЕЙНОЙ РАДИОЛОКАЦИИ 2003
  • Симонов А.В.
RU2253878C1
Способ адаптивного обеспечения высокой разрешающей способности радиолокатора по дальности за счет оценивания информационного диапазона параметра регуляризации инверсного фильтра 2021
  • Жбанов Игорь Леонидович
  • Силаев Николай Владимирович
  • Макаров Максим Сергеевич
  • Севидов Владимир Витальевич
RU2785383C1
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ В ДВУХЧАСТОТНОМ НЕЛИНЕЙНОМ РАДИОЛОКАТОРЕ 2016
  • Дмитриев Вадим Владимирович
  • Замятина Ирина Николаевна
RU2621319C1
СПОСОБ АДАПТИВНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПО КОРРЕЛЯЦИОННОМУ ПРИЗНАКУ 2019
  • Бартенев Владимир Григорьевич
RU2743027C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 480 783 C1

Реферат патента 2013 года СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИИ НЕЛИНЕЙНО-ИНЕРЦИОННЫХ ОБЪЕКТОВ

Изобретение относится к методам и средствам ближней радиолокации нелинейно-рассеивающих объектов. Достигаемый технический результат - улучшение характеристик обнаружения тех из них, эквивалентные электрические схемы которых помимо нелинейных резисторных элементов содержат инерционные элементы - индуктивности и емкости. Для этого в качестве излучаемого сигнала используется последовательность гармонических колебаний Gn, частоты f1, n=1, 2, …, N, со ступенчатой зависимостью их мощности от «n», а физическая сущность обработки сигналов, отраженных от нелинейно-рассеивающих объектов на двойной частоте f2=2f1 и соответствующих излученным колебаниям Gn, сводится к измерению межпериодного приращения фазы отраженных сигналов (φn+1n), определению модуля этих приращений [φn+1n], вычислению их среднего значения и сравнению его с порогом. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 480 783 C1

Способ нелинейной радиолокации нелинейно-инерционных объектов, заключающийся в генерации последовательности гармонических колебаний Gn, n=1, 2, …, N, частоты f1, поочередном, в соответствии с индексом n, излучении Gn в направлении искомого объекта, приеме соответствующих отраженных сигналов Rn, n=1, 2, …, N, с выделением в них сигналов удвоенной частоты f2=2f1, определении комплексных огибающих Zn принятых сигналов Rn, измерении суммарной мощности принятых сигналов P=∑ZnZn*, где знак * - знак комплексного сопряжения, и принятии решения об обнаружении нелинейно-рассеивающего объекта путем сравнения выходной величины устройства обработки с порогом, отличающийся тем, что дополнительно осуществляется изменение мощности генерируемых колебаний Gn, формирование последовательности опорных сигналов Sn, n=1, 2, …, N, путем ограничения Gn и выделения в них колебаний удвоенной частоты f2, определение комплексных огибающих Wn опорных сигналов Sn, вычисление комплексных коэффициентов межпериодной корреляции KZ,n=Zn+1Zn* и KW,n=Wn+1Wn* огибающих Zn и Wn соответственно, вычисление коэффициентов взаимной межпериодной корреляции Kn=Im(KZ,nKW,n*) и их модульных значений [Kn], где Im - оператор выделения мнимой части комплексного числа, вычисление результирующего коэффициента корреляции К=∑[Kn], причем в качестве выходной величины устройства обработки используется К, а в качестве порога используется величина, пропорциональная Р.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2013 года RU2480783C1

МУСАМБЕКОВ П.М., ПАНЫЧЕВ С.Н
Нелинейная радиолокация: методы, техника и область применения
- Зарубежная радиоэлектроника, Успехи современной радиоэлектроники, 2000, №5, с.54-61
СПОСОБ ИМИТАЦИИ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ЦЕЛИ С НЕЛИНЕЙНЫМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ 2007
  • Панычев Сергей Николаевич
  • Лихачев Владимир Павлович
  • Усов Николай Александрович
RU2339968C1
СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕЛИНЕЙНОГО ОБЪЕКТА С РАСПОЗНАВАНИЕМ ТИПА НЕЛИНЕЙНОСТИ 2001
  • Панычев С.Н.
  • Хакимов Н.Т.
RU2205419C2
СПОСОБ ПОИСКА, ОБНАРУЖЕНИЯ И РАСПОЗНАВАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ 2010
  • Горовой Александр Николаевич
  • Лукашук Александр Михайлович
  • Мирошниченко Анатолий Яковлевич
RU2432583C1
US 6049301 A, 11.04.2000
US 2010001899 B2, 11.10.2011
US 8032319 B1, 04.10.2011.

RU 2 480 783 C1

Авторы

Симонов Владимир Иванович

Даты

2013-04-27Публикация

2011-11-24Подача