СПОСОБ ЗОНДИРОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВА КОГЕРЕНТНЫМИ СИГНАЛАМИ Российский патент 2013 года по МПК G01S13/02 

Изобретение относится к радиотехнике, преимущественно к радиолокации, в частности, может быть использовано для зондирования квазимонохроматическими и дискретно-частотными сигналами стационарных, линейно рассеивающих электромагнитные волны объектов.

Известен способ зондирования пространства когерентными сигналами, одновременно излучаемыми N элементами передающей решетки (ЭПР) для обеспечения когерентного их сложения в различных точках зондируемого пространства. Он реализован, в частности, в радиолокационных системах (РЛС) с передающими фазированными антенными решетками (ФАР) (см., например, Активные фазированные антенные решетки. / Под редакцией Д.И. Воскресенского, А.И. Канащенкова, М.: «Радиотехника», 2004 г.; Д.И. Воскресенский. Антенны с обработкой сигнала. Сайнс-Пресс, 2002 г.). В указанных способах осуществляется зондирование пространства одновременно излученными когерентными сигналами с требуемыми амплитудой и фазой, излучаемыми N элементами передающей решетки и прием отраженных сигналов.

Основным недостатком указанных аналогов является низкая скрытность при осуществлении зондирования пространства и объектов противоборствующей стороны, которая необходима при обнаружении, распознавании и т.д. в первую очередь объектов военного назначения в условиях информационного конфликта. Это связано с тем, что при его осуществлении на объекте зондирования за счет когерентного сложения одновременно излучаемых сигналов формируется высокая плотность потока мощности облучения, что делает работу РЛС весьма заметной. Так, при равенстве амплитуд сигналов результирующая плотность потока мощности облучения (А²) N ЭПР в точке их когерентного сложения в N² больше плотности потока мощности облучения (а ²), приходящего от отдельного ЭПР, то есть

А²=N²·a ².

Кроме того, реализация существующего способа связана со значительными трудностями, так как требует наличия большого числа управляемых фазосдвигающих устройств, управляемых линий задержки и др.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ зондирования пространства когерентными сигналами, излучаемыми N ЭПР, основанный на определении требуемых амплитуд A_n и фаз φ_n излучаемых сигналов в каждом n-м элементе передающей решетки (n=1, …, N) для обеспечения когерентного сложения сигналов в заданной области пространства, когерентном приеме отраженных сигналов каждым m-м приемником с регистрацией амплитуды и фазы (см. Активные ФАР. Концепция построения и опыт разработки. Синани А.И., Алексеев О.С., Винярский В.Ф., Антенны, вып.2 (93), 2005, с.64-68).

Основной недостаток прототипа, как и аналогов, состоит в низкой скрытности функционирования. Это связано с тем, что их реализация основана на концентрации (фокусировании) в одном направлении (в зондируемой точке пространства) N одновременно излучаемых когерентных сигналов, что не обеспечивает необходимой скрытности их работы в условиях информационного конфликта.

Техническим результатом данного изобретения является повышение скрытности зондирования пространства когерентными сигналами путем многократного снижения плотности потока мощности облучения объектов при сохранении потребляемой энергии и энергопотенциала РЛС за счет исключения физически выполняемой операции одновременного излучения большого числа когерентных сигналов.

Указанный результат достигается тем, что в способе зондирования пространства когерентными сигналами, излучаемыми N элементами передающей решетки, основанном на определении требуемых амплитуд A_n и фаз φ_n излучаемых сигналов в каждом n-м элементе передающей решетки (n=1, …, N) для обеспечения когерентного сложения сигналов в заданной области пространства, когерентном приеме отраженных сигналов каждым m-м приемником с регистрацией амплитуды и фазы, зондирование производится сигналами, излучаемыми отдельными элементами передающей решетки с произвольными амплитудой A_0n и фазой φ_0n, а сигнал S_m в каждом m-м приемнике, соответствующий когерентному сложению излученных сигналов в зондируемой области пространства, рассчитывают по формуле

,

где A_0nm и φ_0nm - зарегистрированные амплитуда и фаза в m-м приемнике при зондировании пространства сигналом n-го элемента передающей решетки с выбранными амплитудой A_0n и фазой φ_0n.

Существо предлагаемого способа состоит в следующем. В соответствии с линейностью известных уравнений Максвелла, описывающих электромагнитные явления в произвольных средах и в вакууме, будем считать, что процесс радиолокационного наблюдения, включающий излучение сигнала ЭПР, его распространение, взаимодействие с объектами наблюдения, распространение рассеянного излучения и его прием в некотором пункте, является линейным. Это означает, что излучаемый сигнал S и принятый сигнал Y в приемнике связаны между собой линейным оператором L

Y=L{S}.

Важным для осуществления заявляемого способа является свойство линейных операторов, которое состоит в том, что если входное воздействие можно представить в виде весовой суммы где α_n - постоянные, в общем случае комплексные числа, то выходной сигнал можно также представить в виде суммы с теми же коэффициентами где Y_nm - выходной сигнал в m-приемнике при воздействии S_n сигналом, излученным n-м элементом передающей решетки.

В заявляемом способе предусматривается зондирование пространства сигналами отдельных ЭПР, поэтому Y_nm в m-м приемнике для каждого входного сигнала определяется экспериментально. При этом произвольные амплитуда A_0n и фаза φ_0n в каждом ЭПР не препятствуют восстановлению Y_nm, поскольку их установка эквивалентна умножению зондирующего сигнала на комплексный коэффициент , а устранение их влияния достигается нормированием зарегистрированного при этом выходного сигнала Y_0nm путем деления на коэффициент α_0n. После этого нормированные отклики можно суммировать с требуемыми для фазирования амплитудами A_n, и фазами φ_n, описав их действие коэффициентом . Таким образом приходим к формуле

Для реализации вычислительного процесса важной является операция когерентного приема, обеспечивающая в случае использования квазимонохроматического (дискретно-частотного) зондирующего сигнала полное извлечение радиолокационной информации об объекте наблюдения при регистрации амплитуды и фазы отраженного сигнала. Это позволяет представить выходные сигналы в виде комплексных чисел

с которыми свободно оперирует современная вычислительная техника.

С учетом (1) и (2) можно перейти к заявляемому алгоритму обработки, указанному в формуле изобретения

Таким образом, введение новых по сравнению с прототипом операций, заключающихся в том, что зондирование производится сигналами, излучаемыми отдельными ЭПР с произвольными амплитудой A_0n и фазой φ_0n, а сигнал S_m в каждом m-м приемном пункте, соответствующий фазированию ЭПР (когерентному сложению излученных сигналов в зондируемой области пространства), рассчитывают в соответствии с формулой (3), позволяет исключить процесс физического формирования ДН передающей антенны, основанный на одновременном излучении и когерентном сложении N сигналов с требуемыми амплитудами и фазами, заменив его на процесс искусственного формирования ДН передающей антенны, что является основой многократного повышения скрытности заявляемого способа.

Заявляемый способ зондирования пространства когерентными сигналами, излучаемыми N ЭПР, судя по доступным сведениям, является новым, поскольку впервые обеспечивает исключение физически выполняемой операции формирования ДН передающей антенны и замену ее на вычислительные операции, выполняемые на ЭВМ.

Получаемый технический результат изобретения безусловно имеет изобретательский уровень. С одной стороны, достигаемый существенный технический эффект открывает новое направление исследований, основанное на апостериорном искусственном фокусировании излучения N ЭПР в результате обработки принятых сигналов, что обеспечивает повышение скрытности зондирования пространства когерентными сигналами путем многократного снижения плотности потока мощности облучения объектов.

При этом энергопотенциал (отношение сигнал/шум), полностью определяющий информационные возможности РЛС при реализации предлагаемого способа, основанного на последовательном когерентном суммирования принятых сигналов в шумах, в N раз меньше по сравнению с одновременным излучением N ЭПР, реализованном в прототипе. Это связано с тем, что при реализации заявляемого способа в процессе обработки происходит когерентное суммирование сигналов на фоне шумов, в результате которого отношение сигнал/шум в число ЭПР (N) раз меньше по сравнению с величиной отношения сигнал/шум в РЛС с физическим формированием ДН передающей антенны (см. Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. М.: Радио и связь, 1993 г., с.109).

Поэтому при сохранении энергопотенциала РЛС реальное снижение плотности потока мощности облучения объектов зондирования снижается лишь в N раз. Однако при N>>1 это снижение может быть весьма ощутимо. Кроме того, неизвестные для стороннего наблюдателя произвольно установившиеся начальные фазы φ_0n исключают возможность когерентного накопления сигналов, излучаемых отдельными ЭПР. Это еще более повышает скрытность заявляемого способа зондирования пространства. Следует также отметить, что повышение в N раз энергии излучения отдельными ЭПР (для сохранения энергопотенциала РЛС) не приводит к увеличению энергопотребления РЛС, требуемого для просмотра всех разрешаемых направлений зондируемого пространства, число которых для антенной решетки из N элементов примерно равно N. Это происходит потому, что при однократном зондировании пространства отдельными ЭПР заявляемый способ обеспечивает искусственное когерентное их сложение во всех N направлениях. В общем случае расположения зондируемой области в зоне Френеля передающей антенны, когда при физическом формировании ДНА за счет одновременного излучения сигналов ЭПР требуется в выбранном направлении осуществлять дополнительный просмотр разрешаемых областей по дальности, заявляемый способ обеспечит даже сокращение энергопотребления РЛС при просмотре всех разрешаемых элементов пространства при сохранении потребляемой энергии и энергопотенциала РЛС за счет исключения физически выполняемой операции одновременного излучения большого числа когерентных сигналов с требуемыми амплитудами и фазами и замены ее вычислениями, выполняемыми на ЭВМ.

С другой стороны, технический эффект явным образом не следует из общих принципов зондирования пространства когерентными сигналами и может быть достигнут только при проведении предложенной в изобретении последовательности действий.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, идентичных всем признаком заявляемого технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявляемого изобретения условию патентоспособности «новизна».

Заявляемое техническое решение промышленно применимо, так как может использоваться в радиолокации и для его реализации могут быть пригодны стандартное оборудование и приборы.

На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего способ зондирования пространства когерентными сигналами, излучаемыми N ЭПР.

Устройство содержит генератор зондирующих сигналов (ГЗС) 1, выход которого соединен со входом переключателя (ПП) 2 элементов передающей решетки (ЭПР) 3.1…3.N. Апертуры ЭПР 3.1…3.N направлены в сторону зондируемого пространства (ЗП) 4, в область которого ориентирован m-й приемник (Пm) 5, который через ответвитель (О) 6 соединен с выходом ГЗС 1, а выход Пm 5 подключен к вычислительному устройству (ВУ) 7. Выход ВУ 7 является выходом устройства, реализующего заявленный способ зондирования.

Устройство, реализующее заявленный способ, работает следующим образом.

ГЗС 1 формирует когерентный сигнал, который поступает на вход ПП 2. ПП 2 последовательно подает сигнал на входы ЭПР 3.1…3.N, которые облучают ЗП 4 сигналами с произвольно сформировавшимися в процессе их излучения амплитудой A_0n и фазой φ_0n. Сигнал, отраженный от ЗП 4, поступает на вход m-го приемника Пm 5, в котором с использованием опорного сигнала, поступающего от ГЗС 1 через ответвитель О 6, осуществляется когерентный прием и измерение амплитуды А_0nm и фазы φ_0nm принятого сигнала, значения которых поступают в ВУ 7. В ВУ 7 осуществляется нормирование сигнала в виде с учетом излучаемых амплитуд A_0n и фаз φ_0n и когерентное сложение нормированных сигналов в соответствии с выражением (3).

Оценку технического результата заявляемого способа (повышение скрытности зондирования пространства когерентными сигналами путем многократного снижения плотности потока мощности облучения объектов при сохранении потребляемой энергии и энергопотенциала РЛС за счет исключения физически выполняемой операции одновременного излучения большого числа когерентных сигналов) можно провести на основе следующих рассуждений.

В прототипе при одновременном излучении когерентных сигналов N ЭПР происходит их интерференция, в результате которой формируется остронаправленное излучение в направлении главного лепестка ДН с плотностью потока мощности в N² раз большей плотности потока мощности, создаваемой отдельными ЭПР, и во всех других направлениях, кроме просматриваемого, ЗП сигналами ЭПР не облучается.

В заявляемом способе ЗП последовательно облучается сигналами отдельных ЭПР. В этой связи технический результат данного изобретения, казалось бы, очевиден и мог бы обеспечивать уменьшение плотности потока мощности облучения объектов в N² раз. Однако технический результат имеет практический смысл лишь в случае сохранения других характеристик РЛС и, прежде всего, энергопотенциала РЛС, который полностью определяется величиной отношения сигнал/шум. В прототипе отношение сигнал/шум равно

,

в заявляемом способе

,

где - отношение сигнал/шум в РЛС с одним ЭПР, Э - энергия сигнала, создаваемая одним ЭПР в приемнике, пропорциональная мощности излучаемого ЭПР сигнала, N₀ - спектральная плотность шумов (одинаковая в обоих случаях). Следовательно, для обеспечения равенства необходимо в заявляемом способе увеличить мощность излучаемого ЭПР сигнала в N раз. Поэтому при сохранении энергопотенциала РЛС уменьшение плотности потока мощности облучения может быть снижено не в N² раз, а в N раз, но так как на практике N>>1, то при этом достигается существенное повышение скрытности способа зондирования.

При этом, что особенно важно с практической точки зрения, в заявляемом способе увеличения энергопотребления РЛС для просмотра всех разрешаемых передающей антенной участков ЗП не происходит. Это объясняется следующим. В заявляемом способе каждый ЭПР облучает все ЗП, и по результатам однократного последовательного зондирования пространства N ЭПР может быть выполнено апостериорное искусственное формирование ДН передающей решетки для всех разрешаемых (передающей решеткой) элементов ЗП, число которых при зондировании объектов, находящихся в дальней зоне, примерно равно N, а в общем случае расположения объектов в зоне Френеля много больше N. В прототипе для зондирования пространства сфокусированной передающей решеткой требуется излучение N ЭПР для каждого разрешаемого элемента пространства. Поэтому если число разрешаемых элементов передающей решеткой в ЗП равно N, то в заявляемом способе для зондирования пространства требуется в N раз меньшая плотность потока мощности облучения. Следовательно, необходимое (для выравнивания отношения сигнал/шум в заявляемом способе и прототипе) увеличение мощности излучаемых сигналов в заявляемом способе (для сохранении энергопотенциала РЛС в каждом направлении зондирования) не приводит к увеличению требуемого энергопотребления для зондирования всех разрешаемых элементов пространства.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает достижение существенного технического эффекта, а практическая реализация способа может быть осуществлена на базе более простых технических средств с соответствующим изменением алгоритмов и программ обработки результатов измерений.

Способ зондирования пространства когерентными сигналами может быть использован для зондирования стационарных неподвижных объектов, линейно рассеивающих электромагнитные волны. Способ зондирования пространства когерентными сигналами, излучаемыми N элементами передающей решетки, основан на определении требуемых амплитуд A_n и фаз φ_n излучаемых сигналов в каждом m-м элементе передающей решетки (n=1, …, N) для обеспечения когерентного сложения сигналов в заданной области пространства, когерентном приеме отраженных сигналов каждым m-м приемником с регистрацией амплитуды и фазы. Новым является то, что зондирование производится сигналами, излучаемыми отдельными элементами передающей решетки с произвольными амплитудой A_0n и фазой φ_0n, а сигнал S_m в каждом m-м приемнике, соответствующий когерентному сложению излученных сигналов в зондируемой области пространства, рассчитывают по формуле

где A_0nm и φ_0nm - зарегистрированные амплитуда и фаза в m-м приемнике при зондировании пространства сигналом n-го элемента передающей решетки с выбранными амплитудой A_0n и фазой φ_0n. Достигаемый технический результат - повышение скрытности зондирования пространства когерентными сигналами. 1 ил.

Способ зондирования пространства когерентными сигналами, излучаемыми N элементами передающей решетки, основанный на определении требуемых амплитуд A_n и фаз φ_n излучаемых сигналов в каждом n-м элементе передающей решетки (n=1, …, N) для обеспечения когерентного сложения сигналов в заданной области пространства, когерентном приеме отраженных сигналов каждым m-м приемником с регистрацией амплитуды и фазы, отличающийся тем, что зондирование производится сигналами, излучаемыми отдельными элементами передающей решетки с произвольными амплитудой A_0n и фазой φ_0n, a сигнал S_m в каждом m-м приемнике, соответствующий когерентному сложению излученных сигналов в зондируемой области пространства, рассчитывают по формуле

где A_0nm, φ_0nm - зарегистрированные амплитуда и фаза в m-м приемнике при зондировании пространства сигналом n-го элемента передающей решетки с выбранными амплитудой A_0n и фазой φ_0n.