СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕРАДИАЛЬНОЙ ПРОЕКЦИИ ВЕКТОРА СКОРОСТИ ЦЕЛИ Российский патент 2013 года по МПК G01S13/58 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к радиолокационным методам определения скорости движущегося объекта, и может быть использовано в радиолокации, для прогнозирования положения движущейся цели или для селекции движущихся целей. Кроме того, изобретение может быть использовано в полицейских измерителях скорости автомобилей.

Известен способ определения нерадиальной проекции скорости движущейся цели {Патент РФ №2367974 на изобретение «Способ определения нерадиальной проекции скорости движущейся цели}. Известный способ заключается в том, что с помощью двух передающих антенн, размещенных в разных точках пространства, движущаяся цель облучается двумя совмещенными по времени зондирующими сигналами с несущими частотами f₁ и f₂, отраженные от цели сигналы с частотами F₁ и F₂ принимаются приемником, определяется разность частот ΔF_сигн=F₁-F₂, определяется величина V_D по формуле

$$V_D=c\frac{f_1-f_2-\Delta F_{сигн}}{\left|f_1{r}_1^0-f_2{r}_2^0+\left(f_1-f_2\right)r_{пр}^0\right|}$$

где с - скорость света; $$r_1^0$$ и $$r_2^0$$ - единичные векторы, направленные на цель из точек расположения соответственно первой и второй передающих антенн;

$$r_{пр}^0$$ - единичный вектор, направленный на цель из точки расположения приемной антенны;

V_D - проекция скорости цели V на направление вектора D, определяемого по формуле

$$D=f_1{r}_1^0-f_2{r}_2^0+\left(f_1-f_2\right)r_{пр}^0$$

Недостатком известного способа является то, что для его применения необходимо обеспечить высокую степень когерентности зондирующих сигналов. Длина когерентности сигналов должна быть больше удвоенного расстояния от локационной системы до цели.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является существенное снижение требований к когерентности сигналов.

Снижение требований к когерентности сигналов достигается за счет применения опорного сигнала и происходит следующим образом.

Как и при использовании известного способа, с помощью двух передающих антенн, размещенных в разных точках пространства, движущаяся цель облучается двумя совмещенными по времени зондирующими сигналами с несущими частотами f₁ и f₂.

Кроме того, цель облучают модулированным опорным сигналом, частота модуляции f_мод которого равна разности частот первого и второго зондирующих сигналов.

Отраженные целью сигналы принимаются.

Если цель движется, то частоты F₁ и F₂ отраженных от цели и принятых сигналов отличаются от соответствующих частот f₁, f₂, а частота модуляции F_мод принятого опорного сигнала отличается от частоты f_мод.

Определяют вектор D и величину V_D по формулам

$$D=f_1{r}_1^0-f_2{r}_2^0-\left(f_1-f_2\right)r_{оп}^0$$

$$V_D=c\frac{F_{мод}-\left(F_1-F_2\right)}{\left|f_1{r}_1^0-f_2{r}_2^0-\left(f_1-f_2\right)r_{оп}^0\right|}$$

где с - скорость света;

$$r_1^0$$ и $$r_2^0$$ - единичные векторы, направленные на цель из точек расположения соответственно первой и второй передающих антенн;

$$r_{пр}^0$$ - единичный вектор, направленный на цель из точки расположения приемной антенны,

$$r_{оп}^0$$ - единичный вектор, направленный на цель из точки расположения передающей антенны опорного сигнала.

Если в качестве приемной антенны используется антенна, излучающая зондирующий сигнал частоты f₁, или антенна, излучающая зондирующий сигнал частоты f₂, то $$r_{пр}^0=r_1^0$$ или $$r_{пр}^0=r_2^0$$ соответственно.

Если в качестве антенны, излучающей опорный сигнал, используется антенна, излучающая зондирующий сигнал частоты f₁, или антенна, излучающая зондирующий сигнал частоты f₂, то $$r_{оп}^0=r_1^0$$ или $$r_{оп}^0=r_2^0$$ соответственно.

Величина V_D равна проекции вектора скорости цели V на направление вектора D.

На фигуре представлена векторная диаграмма, поясняющая использование предлагаемого в качестве изобретения способа. Обозначения на рисунке соответствуют:

А₁ - передающая антенна, излучающая зондирующий сигнал частоты f₁;

А₂ - передающая антенна, излучающая зондирующий сигнал частоты f₂;

А_пр - приемная антенна;

А_оп - передающая антенна опорного сигнала;

Ц - цель;

r₁, r₂ - векторы, начала которых находятся в точках расположения антенн A₁ и А₂, а концы - в точке расположения цели;

r_пр - вектор, начало которого находится в точке расположения приемной антенны А_пр, а конец - в точке расположения цели;

r_оп - вектор, начало которого находится в точке расположения передающей антенны опорного сигнала А_оп, а конец - в точке расположения цели;

$$r_1^0$$ , $$r_2^0$$ , $$r_{пр}^0$$ , $$r_{оп}^0$$ - орты векторов r₁, r₂, r_пр, r_оп соответственно.

Мгновенные значения фаз Ψ₁(t) и Ψ₂(t) отраженных от цели и принятых сигналов зависят от расстояний r₁ и r₂ от соответствующих передающих антенн до цели, а также от расстояния r_пр от цели до приемной антенны.

Мгновенные значения фазы Ψ_мод(t) модулирующего сигнала при приеме опорного сигнала зависят от расстояния r_оп от передающей антенны опорного сигнала до цели, а также от расстояния r_пр от цели до приемной антенны:

$${\psi }_1(t)=2\pi f_{1}t-2\pi \frac{f_1}{c}\left(r_1+r_{пр}\right)+{\psi }_{01}$$

$${\psi }_2(t)=2\pi f_{2}t-2\pi \frac{f_2}{c}\left(r_2+r_{пр}\right)+{\psi }_{02}$$

$${\psi }_{мод}(t)=2\pi f_{мод}t-2\pi \frac{f_{мод}}{c}\left(r_{оп}+r_{пр}\right)+{\psi }_{0мод}$$

где ψ₀₁, ψ₀₂ и ψ_0мод - начальные фазы зондирующих сигналов частот f₁, f₂ и f_мод.

Тогда:

$${\psi }_1(t)-{\psi }_2(t)=2\pi (f_1-f_2)t-\frac{2\pi }{c}\left(f_1{r}_1-f_2{r}_2+(f_1-f_2)r_{пр}\right)+({\psi }_{01}-{\psi }_{02})$$ ;

$${\psi }_{мод}(t)=2\pi f_{мод}t-\frac{2\pi }{c}\left(f_{мод}{r}_{оп}+f_{мод}{r}_{пр}\right)+{\psi }_{0мод}$$

Продифференцируем эти выражения полным образом по времени, учитывая, что при движении цели величины r₁, r₂, r_оп и r_пр зависят от времени.

$$\frac{d{\psi }_1}{dt}-\frac{d{\psi }_2}{dt}=2\pi (f_1-f_2)-\frac{2\pi }{c}\left[f_{1}grad\left(r_1\right)\frac{d{r}_1}{dt}-f_{2}grad\left(r_2\right)\frac{d{r}_2}{dt}+(f_1-f_2)grad\left(r_{пр}\right)\frac{d{r}_{пр}}{dt}\right]$$

$$\frac{d{\psi }_{мод}}{dt}=2\pi f_{мод}-\frac{2\pi }{c}{f}_{мод}\left[grad\left(r_{мод}\right)\frac{d{r}_{оп}}{dt}+grad\left(r_{пр}\right)\frac{d{r}_{пр}}{dt}\right]$$

Учтем, что $$\frac{d{\psi }_1}{dt}=2\pi F_1$$

$$\frac{d{\psi }_2}{dt}=2\pi F_2$$

$$\frac{d{\psi }_{мод}}{dt}=2\pi F_{мод}$$

$$grad\left(r_1\right)=r_1^0$$

$$grad\left(r_2\right)=r_2^0$$

$$grad\left(r_{оп}\right)=r_{оп}^0$$

$$grad\left(r_{пр}\right)=r_{пр}^0$$

$$\frac{d{r}_1}{dt}=\frac{d{r}_2}{dt}=\frac{d{r}_{оп}}{dt}=\frac{d{r}_{пр}}{dt}=V-скоростьцели.$$

Тогда

$$2\pi \left(F_1-F_2\right)=2\pi \left(f_1-f_2\right)-\frac{2\pi }{c}V\left(f_1{r}_1^0-f_2{r}_2^0+\left(f_1-f_2\right)r_{пр}^0\right)$$

$$2\pi F_{мод}=2\pi f_{мод}-\frac{2\pi }{с}V{F}_{мод}\left(r_{оп}^0+r_{пр}^0\right)$$

Сократим предыдущие выражения на 2π и вычтем их друг из друга:

$$\left(F_1-F_2\right)-F_{мод}=\left(f_1-f_2\right)-f_{мод}-\frac{1}{c}V\left(f_1{r}_1^0-f_2{r}_2^0+(f_1-f_2-f_{мод})r_{пр}^0-f_{мод}{r}_{оп}^0\right)$$

Учтем, что f_мод=(f₁-f₂):

$$(F_1-F_2)-F_{мод}=(f_1-f_2)-f_{мод}-\frac{1}{c}V\left(f_1{r}_1^0-f_2{r}_2^0-(f_1-f_2)r_{оп}^0\right)$$

Введем обозначение:

$$D=f_1{r}_1^0-f_2{r}_2^0-(f_1-f_2)r_{оп}^0$$

Тогда

$$-c\left(\left(F_1-F_2\right)-F_{мод}\right)=VD=V{D}^0\left|D\right|$$ , где D⁰ - орт вектора D.

Учтем, что VD⁰ есть проекция вектора V на направление вектора D. Обозначив эту проекцию как V_D, получим

$$V_D=c\frac{F_{мод}-\left(F_1-F_2\right)}{\left|D\right|}=c\frac{F_{мод}-\left(F_1-F_2\right)}{\left|f_1{r}_1^0-f_2{r}_2^0-(f_1-f_2)r_{оп}^0\right|}$$

Величины частот f₁ и f₂ и их разность могут быть известны заранее или измерены с достаточной точностью. Точность определения величины (f₁-f₂) может быть повышена путем измерения непосредственно разности частот. Например, сигналы частот f₁ и f₂ могут быть преобразованы в сигнал разностной частоты с последующим измерением этой частоты. Возможно применение и других способов измерения разности частот зондирующих сигналов.

Величина (F₁-F₂) может быть определена путем измерения частот принимаемых сигналов с последующим вычислением их разности. Однако для повышения точности определения величины (F₁-F₂) целесообразно преобразовать принимаемые сигналы частот F₁ и F₂ в сигнал разностной частоты с последующим измерением частоты преобразованного сигнала.

Из векторной диаграммы на фиг.1 и из выражения для вектора D видно, что вектор D является нерадиальным.

Опорный сигнал и зондирующие сигналы проходят разные пути. Поэтому длина когерентности сигналов должна быть меньше попарных разностей хода сигналов. Разности хода зависят от расположения антенн и направления на цель. При всех направлениях на цель разности хода сигналов меньше наибольшего из попарных расстояний между передающими антеннами. Поэтому достаточной длиной когерентности сигналов является наибольшее из попарных расстояний между антеннами. Это расстояние значительно меньше, чем дальность действия радиолокационной системы.

Таким образом, по сравнению с известным способом определения нерадиальной проекции скорости, использование предлагаемого способа на несколько порядков уменьшает требования к длине когерентности используемых сигналов.

Из выражений для D и V_D видно, что результат определения нерадиальной проекции скорости цели не зависит от положения приемника.

Изобретение относится радиотехнике, а именно к радиолокационным способам определения скорости движущегося объекта. Изобретение может быть использовано как в радиолокации, так и в полицейских измерителях скорости автомобилей. Достигаемым техническим результатом является возможность определения нерадиальных проекций вектора скорости цели при низких требованиях к когерентности применяемых сигналов. Определение нерадиальных проекций вектора скорости позволяет однозначно определять как величину, так и направление вектора скорости. 1 ил.

Способ определения нерадиальной проекции вектора скорости цели, заключающийся в том, что цель одновременно облучают с помощью двух разнесенных в пространстве антенн зондирующими сигналами двух различных частот, принимают отраженные целью сигналы, определяют разность частот принимаемых сигналов и по значению разности частот принимаемых сигналов определяют нерадиальную проекцию вектора скорости цели, отличающийся тем, что цель облучают дополнительным модулированным опорным сигналом, частота модуляции которого равна разности частот первого и второго зондирующих сигналов, отраженный опорный сигнал принимают, определяют частоту модуляции принятого дополнительного сигнала и по формуле
$$V_D=c\frac{F_{мод}-\left(F_1-F_2\right)}{\left|f_1{r}_1^0-f_2{r}_2^0-\left(f_1-f_2\right)r_{оп}^0\right|},$$
определяют проекцию скорости цели на направление вектора D, определяемого по формуле
$$D=f_1{r}_1^0-f_2{r}_2^0-\left(f_1-f_2\right)r_{оп}^0,$$
где с - скорость света;
f₁ и f₂ - частоты первого и второго зондирующих сигналов;
F₁ и F₂ - частоты принимаемых сигналов;
F_мод - частота модуляции принимаемого опорного сигнала;
$$r_1^0$$ и $$r_2^0$$ - единичные векторы, направленные на цель из точек расположения соответственно первой и второй передающих антенн;
$$r_{оп}^0$$ - единичный вектор, направленный на цель из точки расположения антенны, излучающей модулированный опорный сигнал;
$$r_{пр}^0$$ - единичный вектор, направленный на цель из точки расположения приемной антенны.