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

Область техники, к которой относится изобретение

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

Уровень техники

В настоящее время широко известны различные радиолокационные способы для определения радиолокационной информации: расстояния до подвижного объекта, скорости перемещения объекта и др. Для этого используются импульсные радиолокаторы, радиолокаторы на основе эффекта Доплера, когерентные радиолокаторы. Основы радиолокации и способы обработки радиолокационной информации, в частности, определения скорости движущейся объектов изложены в книгах Бакулев П.А. и др., Методы и устройства селекции движущихся целей, Москва, Радио и связь, 1986 и Сосулин Ю.Г., Теоретические основы радиолокации и радионавигации, Москва, Радио и связь, 1992.

В качестве близкого по сущности технического решения известен способ определения путевой скорости воздушной цели, раскрытый в патенте РФ на изобретение №2273033 опуб. 27.03.2006, МПК G01S 13/58 и G01S 13/92. Способ заключается в том, что измеряют частоту Доплера отраженных от движущейся цели сигналов в наземной РЛС f_дрлс, причем измеряют частоту Доплера f_дR отраженных сигналов в дополнительной приемной позиции, разнесенной в пространстве относительно наземной РЛС на базовое расстояние R_B, угол θ между направлениями "дополнительная приемная позиция R - цель Ц" и "дополнительная приемная позиция R -РЛС", угол γ между направлениями "РЛС - цель Ц" и "РЛС - дополнительная приемная позиция R", вычисляют бистатический угол β=180°-(θ+γ), при этом путевую скорость полета воздушной цели определяют как

$$V=\frac{\lambda f_{дрлс}}{2\cos \left[arctg\left(\frac{f_{дR}-f_{дрлс}\cos \beta }{f_{дрлс}\sin \beta }\right)\right]}$$

где λ - рабочая длина волны, используемая в наземной РЛС; Г_дрлс - частота Доплера, измеряемая в наземной РЛС; а_дR - частота Доплера, измеряемая в дополнительной приемной позиции R; β - бистатический угол между направлениями "цель Ц - дополнительная приемная позиция R" и "цель Ц-РЛС", а частота Доплера, измеряемая в дополнительной приемной позиции R, определяется как

$$f_{\partial R}=\frac{2V\cos \alpha }{\lambda }$$

где α - угол между вектором путевой скорости V и линией визирования цели со стороны приемной позиции R.

Недостатком этого способа является низкая точность. В качестве наиболее близкого аналога - прототипа известен способ определения нерадиальной проекции скорости движущейся цели, раскрытый в патенте РФ на изобретение №2367974, опуб. 20.09.2009, МПК G01S 13/58. 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 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:

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

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;

$${\text{r}}_{\text{np}}^{\text{0}}$$ - единичный вектор, направленный на цель из точки расположения приемной антенны;

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

D=f₁ r ₁ ⁰-f₂ r ₂ ⁰+-(f₁-f₂)r _np ⁰.

Недостатком этого 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, на достижение которого направлено предложенное изобретение, является, в частности, существенное снижение требований к когерентности сигналов и повышение точности определения скорости движущейся цели при минимально необходимых вычислительных ресурсах.

Сущность изобретения

Сущность предложенного способа определения нерадиальной проекции вектора скорости цели заключается в том, что снижение требований к когерентности сигналов достигается за счет применения двух вспомогательных излучений и происходит следующим образом.

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

Кроме того, цель дополнительно облучают двумя вспомогательными монохроматическими сигналами различающихся частот f₃ и f₄, причем вспомогательный сигнал большей частоты излучают той же антенной, что и зондирующий сигнал меньшей частоты, а вспомогательный сигнал меньшей частоты излучают той же антенной, что и зондирующий сигнал большей частоты.

Принимают отраженные целью сигналы. Если цель движется, то частоты F₁, F₂, F₃ и F₄ отраженных от цели и принятых сигналов отличаются от соответствующих частоту f₁, f₂, f₃ и f₄.

Определяют вектор D и величину V_D по формулам:

$$D=(f_1+f_4)r_1^0-(f_3+f_2)r_2^0+\left[(f_1-f_2)-(f_3-f_4)\right]r_{np}^0$$

$$V_D=c\frac{(F_3-F_4)-(F_1-F_2)+(f_1-f_2)-(f_3-f_4)}{\left|(f_1+f_4)r_1^0-(f_3+f_2)r_2^0+[(f_1-f_2)-(f_3-f_4)]r_{np}^0\right|}$$

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 зондирующих сигналов;

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

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.

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

Эти и другие конструктивные особенности и преимущества предложенного изобретения станут очевидными из детального описания его вариантов, которые должны читаться совместно с чертежом.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена векторная диаграмма, поясняющая использование предлагаемого изобретения.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 представлена векторная диаграмма, поясняющая предложенный способ определения нерадиальной проекции вектора скорости движущейся цели, где обозначены:

A₁ - передающая антенна, излучающая зондирующий сигнал частоты f₁ и вспомогательный сигнал частоты f₄;

А₂ - передающая антенна, излучающая зондирующий сигнал частоты f₂ и вспомогательный сигнал частоты f₃;

А_пр - приемная антенна;

Ц - цель;

r ₁, r ₂ - векторы, начала которых находятся в точках расположения антенн А₁, и A₂, 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 ₁ ⁰, r ₂ ⁰, r _пр ⁰ - орты векторов r ₁, r ₂, r _np соответственно.

Будем считать, что сигналы, антенны и частоты пронумерованы так, что f₁>f₂, а f₃>f₄.

Мгновенные значения фаз Ψ₁(t), Ψ₂(t), Ψ₃(t), и Ψ₄(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 приемной антенны до цели:

$${\psi }_1(t)=2\pi f_{1}t-2\pi \frac{f_1}{c}(r_1+r_{np})+{\Psi }_{01};$$

$${\psi }_2(t)=2\pi f_{2}t-2\pi \frac{f_2}{c}(r_2+r_{np})+{\Psi }_{02};$$

$${\psi }_3(t)=2\pi f_{3}t-2\pi \frac{f_3}{c}(r_2+r_{np})+{\Psi }_{03};$$

$${\psi }_4(t)=2\pi f_{4}t-2\pi \frac{f_4}{c}(r_1+r_{np})+{\Psi }_{04};$$

где Ψ₀₁, Ψ₀₂, Ψ₀₃ и Ψ₀₄ - начальные фазы зондирующих сигналов частот f₁, f₂, и вспомогательных сигналов частот f₃ и f₄.

Тогда:

$${\psi }_1(t)-\Psi (t)=2\pi (f_1-f_2)t-\frac{2\pi }{c}[f_1{r}_1-f_2{r}_2+(f_1-f_2)r_{np}]+({\Psi }_{01}-{\Psi }_{02})$$

$${\psi }_3(t)-{\Psi }_4(t)=2\pi (f_3-f_4)t-\frac{2\pi }{c}[f_3{r}_2-f_4{r}_1+(f_3-f_4)r_{np}]+({\Psi }_{03}-{\Psi }_{04})$$

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

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

$$\frac{d{\psi }_3}{dt}-\frac{d{\psi }_4}{dt}=2\pi (f_3-f_4)-\frac{2\pi }{c}\left[f_{3}grad(r_2)\frac{d{r}_2}{dt}-f_{4}grad(r_1)\frac{d{r}_1}{dt}+(f_3-f_4)grad(r_{np})\frac{d{r}_{np}}{dt}\right].$$

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

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

$$\frac{d{\psi }_3}{dt}=2\pi F_3$$ ;

$$\frac{d{\psi }_4}{dt}=2\pi F_4$$ ;

$$grad(r_1)=r_1^0;$$

$$grad(r_2)=r_2^0;$$

$$grad(r_{np})=r_{np}^0;$$

$$\frac{d{r}_1}{dt}=\frac{d{r}_2}{dt}=\frac{d{r}_{np}}{dt}=V$$ - скорость цели.

Тогда:

$$2\pi (F_1-F_2)=2\pi (f_1-f_2)-\frac{2\pi }{c}V[f_1{r}_1^0-f_2{r}_2^0+(f_1-f_2)r_{np}^0];$$

$$2\pi (F_3-F_4)=2\pi (f_3-f_4)-\frac{2\pi }{c}V[f_3{r}_2^0-f_4{r}_1^0+(f_3-f_4)r_{np}^0].$$

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

$$\begin{array}{l}\left(F_1-F_2\right)-\left(F_3-F_4\right)=\left[\left(f_1-f_2\right)-\left(f_3-f_4\right)\right]-\\ -\frac{1}{c}V\left[\left(f_1{r}_1^0-f_2{r}_2^0\right)-\left(f_3{r}_2^0-f_4{r}_1^0\right)+\left(\left(f_1-f_2\right)-\left(f_3-f_4\right)\right)r_{np}^0\right];\end{array}$$

Приведем подобные члены

$$\begin{array}{l}\left(F_1-F_2\right)-\left(F_3-F_4\right)=\left[\left(f_1-f_2\right)-\left(f_3-f_4\right)\right]-\\ -\frac{1}{c}V\left[\left(f_1+f_4\right)r_1^0-\left(f_3-f_2\right)r_2^0+\left(\left(f_1-f_2\right)-\left(f_3-f_4\right)\right)r_{np}^0\right]\end{array}$$

Введем обозначение:

$$D=\left(f_1+f_4\right)r_1^0-\left(f_3+f_2\right)r_2^0+\left(\left(f_1-f_2\right)-\left(f_3-f_4\right)\right)r_{np}^0$$

Тогда

$$-c[\left(F_1-F_2\right)-\left(F_3-F_4\right)-\left(f_1-f_2\right)+\left(f_3-f_4\right)]=VD=V{D}^0\left|D\right|,$$

где D ⁰ - орт вектора D.

Учтем, что VD ⁰ есть проекция вектора V на направление вектора D. Обозначив эту проекцию как V_D, получим:

$$\begin{array}{l}{V}_D=-c\frac{\left(F_1-F_2\right)-\left(F_3-F_4\right)-\left(f_1-f_2\right)+\left(f_3-f_4\right)}{\left|D\right|}=\\ =c\frac{\left(F_3-F_4\right)-\left(F_1-F_2\right)+\left(f_1-f_2\right)-\left(f_3-f_4\right)}{\left|\left(f_1+f_4\right)r_1^0-\left(f_3+f_2\right)r_2^0+\left[\left(f_1-f_2\right)-\left(f_3-f_4\right)\right]r_{np}^0\right|}\end{array}$$

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.

Аналогично, для повышения точности определения величины (f₃-f₄) сигналы частот f₃ и f₄ могут быть преобразованы в сигнал разностной частоты с последующим измерением этой частоты.

Возможно применение и других способов измерения разности частот зондирующих сигналов и разности частот вспомогательных 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.

Аналогично, для повышения точности определения величины (F₃-F₄) целесообразно преобразовать принимаемые сигналы частот F₃ и F₄ 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.

Формирование вспомогательных сигналов, а также вычисления величины V_D и вектора D существенно упрощаются в частном случае, когда разность частот вспомогательных частот выбирается равной разности частот зондирующих сигналов. В ряде случаев предпочтительно именно такое соотношение частот. При таком соотношении частот координаты приемной антенны не влияют на значения D и V_D, что обеспечивает большую свободу выбора положения приемной антенны.

Излучаемые разными передающими антеннами зондирующие и вспомогательные сигналы проходят до приемной антенны разные пути. Поэтому длина когерентности сигналов должна быть меньше разности хода сигналов. Разности хода зависят от расположения антенн и направления на цель. При всех направлениях на цель разности хода сигналов меньше расстояния между передающими антеннами. Поэтому достаточной длиной когерентности сигналов является расстояние между передающими 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 требуемую длину когерентности используемых сигналов.

Предложенный способ может быть реализован с использованием различных функциональных элементов: источника излучений - передатчика электромагнитных волн, выход которого соединен с антенной; приемника, вход которого соединен с антенной, а выход с вычислителем, производящий вычисления в соответствии с приведенными формулами. Выше были описаны различные варианты осуществления изобретения, и специалистам в данной области техники очевидно, что они были представлены только для примера и не должны ограничиваться.

Изобретение может быть использовано в радиолокации и измерителях скорости движущихся объектов, автомобилей и др. Достигаемый технический результат - определение нерадиальных проекций вектора скорости цели при низких требованиях к когерентности применяемых сигналов. Указанный результат достигается за счет того, что цель одновременно облучают с помощью двух разнесенных антенн зондирующими сигналами двух различных частот, принимают отраженные от цели сигналы, определяют разность частот принимаемых сигналов, и по значению разности частот принимаемых сигналов определяют нерадиальную проекцию вектора скорости цели, дополнительно цель облучают двумя вспомогательными монохроматическими сигналами различающихся частот. Вспомогательный сигнал большей частоты излучают той же антенной, что и зондирующий сигнал меньшей частоты, а вспомогательный сигнал меньшей частоты излучают той же антенной, что и зондирующий сигнал большей частоты. Отраженные от цели сигналы принимают и по формуле $$V_D=c\frac{(F_3-F_4)-(F_1-F_2)+(f_1-f_2)-(f_3-f_4)}{\left|(f_1+f_4)r_1^0-(f_3+f_2)r_2^0+[(f_1-f_2)-(f_3-f_4)]r_{np}^0\right|}$$ определяют проекцию скорости цели на направление вектора D, определяемого по формуле $$D=(f_1+f_4)r_1^0-(f_3+f_2)r_2^0+\left[(f_1-f_2)-(f_3-f_4)\right]r_{np}^0,$$ где с - скорость света; f₁ и f₂ - частоты первого и второго зондирующих сигналов; f₃ и f₄ - частоты первого и второго вспомогательных сигналов; F₁ и F₂ - смещенные относительно f₁ и f₂ частоты первого и второго принимаемых сигналов; F₃ и F₄ - смещенные относительно f₃ и f₄ частоты принимаемых монохроматических сигналов; 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. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ определения нерадиальной проекции вектора скорости движущейся 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 дополнительно облучают двумя вспомогательными монохроматическими сигналами различающихся частот, причем вспомогательный сигнал большей частоты излучают той же антенной, что и зондирующий сигнал меньшей частоты, а вспомогательный сигнал меньшей частоты излучают той же антенной, что и зондирующий сигнал большей частоты, отраженные от цели сигналы принимают и по формуле
$$V_D=c\frac{(F_3-F_4)-(F_1-F_2)+(f_1-f_2)-(f_3-f_4)}{\left|(f_1+f_4)r_1^0-(f_3+f_2)r_2^0+[(f_1-f_2)-(f_3-f_4)]r_{np}^0\right|},$$
определяют проекцию скорости цели на направление вектора D, определяемого по формуле
$$D=(f_1+f_4)r_1^0-(f_3+f_2)r_2^0+\left[(f_1-f_2)-(f_3-f_4)\right]r_{np}^0,$$
где с - скорость света;
f₁ и f₂ - частоты первого и второго зондирующих сигналов;
f₃ и f₄ - частоты первого и второго вспомогательных сигналов;
F₁ и F₂ - смещенные относительно f₁ и f₂ частоты первого и второго принимаемых сигналов;
F₃ и F₄ - смещенные относительно f₃ и f₄ частоты принимаемых дополнительных монохроматических сигналов;
r₁ ⁰ и r₂ ⁰ - единичные векторы, направленные на цель из точек расположения соответственно первой и второй передающих антенн;
$${\text{r}}_{\text{np}}^{\text{0}}$$ - единичный вектор, направленный на цель из точки расположения приемной антенны.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что разность частот вспомогательных монохроматических сигналов выбирается равной разности частот зондирующих сигналов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что сигналы разностных частот f₁-f₂; f₃-f₄; F₁-F₂; F₃-F₄, используемых при вычислении проекции вектора скорости движущейся цели, получают путем соответствующего преобразования сигналов частот f₁ и f₂; f₃ и f₄; F₁ и F₂; F₃ и F₄ с последующим измерением сигналов разностных частот.