СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИИ ОБЪЕКТОВ С ИНЕРЦИОННОЙ НЕЛИНЕЙНОСТЬЮ Российский патент 2014 года по МПК G01S13/02 

Изобретение относится к технике ближней радиолокации, а именно к методам обнаружения нелинейно-рассеивающих объектов, содержащих нелинейные резисторные элементы.

Множество таких объектов можно разбить на две группы:

- RLC-объекты, модель которых в виде эквивалентной электрической цепи помимо безынерционных нелинейных резисторов (R) содержит и инерционные элементы - индуктивные (L) и/или емкостные (С). Такими объектами являются мобильные телефоны, электронные подслушивающие устройства, приемные устройства радиоуправляемых взрывателей и т.п.;

- R-объекты, в эквивалентных электрических схемах которых можно пренебречь влиянием индуктивных и емкостных элементов. Типичными представителями R-объектов являются элементы стальных конструкций, сварные или клепанные, подверженных коррозии и ржавчине.

В предложенном способе решается задача обнаружения именно RLC-объектов на фоне потока отраженных сигналов от R-объектов, причем предполагается, что вольт-амперная характеристика резисторного элемента имеет четную, например, квадратичную парциальную составляющую.

Известны способы нелинейной радиолокации, сущность которых изложена в [1; 2].

Недостаток аналогов [1] состоит в высоком уровне ложных тревог, создаваемых потоком ложных сигналов от R-объектов. Последнее связано с тем, что, несмотря на использование в [1] сложного зондирующего сигнала в виде нескольких гармоник с последующим выделении из отраженного сигнала набора кратных и комбинационных частот, в [1] оцениваются лишь энергетические характеристики выделенных частот, информативных свойств которых недостаточно для решения задачи распознавания RLC-объектов и их селекции на фоне потока сигналов от R-объектов. В определенной мере такими свойствами обладает аналог [2], однако его недостатком является необходимость варьирования мощности излучаемой гармоники.

Среди аналогов наиболее близким по числу совпадающих признаков является способ нелинейной радиолокации [1], в котором облучение искомого объекта производится тремя гармониками с частотами ω₀, ω₁, ω₂ соответственно, а приемник радиолокатора выделяет из отраженного сигнала три сигнала r₀, r₁, r₂ с несущими частотами 2ω₀, ω₀+ω₁, ω₀+ω₂ соответственно.

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

Целью изобретения является повышение эффективности обнаружения RLC-объектов.

Для достижения поставленной цели в способе-прототипе, заключающемся в генерации и излучении трех гармонических сигналов с частотами ω₀, ω₁, ω₂ и комплексными амплитудами G₀, G₁, G₂ соответственно, приеме отраженного сигнала и выделении из него трех сигналов r₀, r₁, r₂ с несущими частотами 2ω₀, ω₀+ω₁, ω₀+ω₂ соответственно, формировании выходного сигнала радиолокатора и сравнении его с порогом, дополнительно осуществляется выбор частот ω₁ и ω₂ из условия ω₁=ω₀+Ω и ω₂=ω₀-Ω, выбор одинаковых отношений G₁/G₀ и G₂/G₀, совместная корреляционная обработка пар сигналов {r₁, r₀}, и {r₂, r₀} с формированием соответствующих корреляционных сигналов S₁ и S₂, определение амплитуды U_Δ разностного S_Δ=S₁-S₂ и амплитуды U_Σ суммарного S_Σ=S₁+S₂ сигналов, причем в качестве выходного сигнала радиолокатора выбирается U_Δ, если отношение G₁/G₀=G₂/G₀ является действительной величиной, или U_Σ, если отношение G₁/G₀=G₂/G₀ является мнимой величиной.

На фиг.1 изображена возможная схема нелинейного радиолокатора, реализующего предложенный способ, элементами которой являются: 1 - синтезатор частот, вырабатывающий три гармонических сигнала g₀(t), g₁(t), g₂(t) с круговыми частотами ω₀, ω₀+Ω ω₀-Ω; 2 - усилители мощности; 3 - сумматор; 4 - приемник отраженных сигналов в полосе частот (2ω₀-Ω; 2ω₀+Ω); 5₀, 5₁, 5₂ - высокочастотные фильтры с центральными круговыми частотами 2ω₀, 2ω₀+Ω; 2ω₀-Ω, выделяющие сигналы r₀(t), r₁(t), r₂(t) соответственно; 6₁, 6₂ - балансные преобразователи частоты с фильтрами частоты Ω на их выходах, формирующие сигналы S₁ и S₂ соответственно; 7 - разностное или суммарное устройство, в зависимости от того, какой вид зондирующего сигнала используется - с амплитудной или фазовой модуляцией; 8 - амплитудный детектор с низкочастотным фильтром, постоянная времени которого ~ 2 л/ Q, и пороговая схема.

Излучаемые гармонические сигналы g₀(t), g₁(t), g₂(t) имеют вид:

$$\{\begin{array}{l}{g}_0\left(t\right)=G_0\exp \left\{j{\omega }_{0}t\right\}\\ g_1\left(t\right)=G_1\exp \{j({\omega }_0+\Omega )t\}\\ g_2\left(t\right)=G_2\exp \{j({\omega }_0-\Omega )t\},\end{array}\left(1\right)$$

где совокупность комплексных амплитуд G₀, G₁, G₂ является спектром суммарного сигнала g₀(t)+g₁(t)+g₂(t), j - мнимая единица. Уточним их амплитудно- и фазочастотные характеристики. Амплитуды G₁ и G₂ боковых частот ω₀±Ω выберем одинаковыми:

$$G_1=G_2=G,\left(2\right)$$

а их отношение G/G₀ к амплитуде G₀ центральной частоты ω₀ спектра равными либо чисто действительной величине:

$$G/G_0=|G/G_0|,\left(3\right)$$

либо чисто мнимой величине:

$$G/G_0=j|G/G_0|,\left(4\right)$$

где скобки |…| обозначают взятие модуля комплексного числа.

Вид суммарного сигнала в этих двух случаях будет различным. В случае выполнения условий (2), (3) суммарный сигнал относится к классу амплитудно-модулированных (AM) сигналов с частотой тональной модуляции Ω (Ω<<ω₀). В случае выполнения условий (2), (4) суммарный сигнал близок по форме к фазомодулированным (ФМ) сигналам, но в строгом смысле не относящийся к ним, т.к. имеет дополнительную амплитудную модуляцию. Вместе с тем, в дальнейшем для краткости такой сигнал будем называть ФМ-сигналом. Способы формирования колебаний g₀(t), g₁(t), g₂(t), комплексные амплитуды которых подчиняются условиям (2), (3) или (2), (4), известны. В частности, эти колебания можно выделить с помощью высокочастотных фильтров из AM- и строго ФМ-сигналов, полученных традиционными методами модуляции амплитуды или фазы гармонического сигнала частоты ω₀. В случае использования трех независимых генераторов гармонических сигналов с частотами ω₀, ω₀+Ω и ω₀-Ω нужные соотношения - (2), (3) или (2), (4) можно обеспечить путем регулировки амплитуд этих колебаний и подстройки фазы генератора центральной частоты ω₀ с помощью фазосдвигающей цепочки, производимой после каждого включения радиолокатора.

Интересующую нас парциальную составляющую отраженного сигнала, сосредоточенную в полосе частот 2ω₀±Ω и выделяемую на выходе приемника, представим в виде суммы трех сигналов r₀(t), r₁(t), r₂(t):

$$\{\begin{array}{l}{r}_0\left(t\right)=R_0\exp \{j2{\omega }_{0}t+j\psi \}\\ r_1\left(t\right)=R_1\exp \{j(2{\omega }_0+\Omega )t+j\left(\psi -\Omega \tau \right)\}\\ r_2\left(t\right)=R_2\exp \{j(2{\omega }_0-\Omega )t+j\left(\psi +\Omega \tau \right)\},\end{array}\left(5\right)$$

где ψ - случайная начальная фаза и τ - задержка принимаемого сигнала, обусловленные пространственной удаленностью объекта радиолокации. Комплексные амплитуды R₀, R₁, R₂, представляющие спектр суммарного сигнала r₀(t)+r₁(t)+r₂(t), характеризуют отражающие свойства нелинейно-рассеивающего объекта и обладают различными свойствами при наблюдении R-объектов и RLC-объектов.

Если R-объект облучается АМ-сигналом или ФМ-сигналом, то суммарный сигнал r₀(t)+r₁(t)+r₂(t) остается в классе тонально модулированных AM- или ФМ-сигналов соответственно. В спектральной интерпретации это означает следующее: если отношение G/G₀ - действительная (или мнимая) величина, то отношения R₁/R₀ и R₂/R₀ также являются действительными (или мнимыми) величинами с выполнением равенства R₁=R₂=R, что аналогично условиям (2), (3) (или (2), (4)).

При наблюдении RLC-объектов отношения спектральных амплитуд R₁/R₀ и R₂/R₀ перестают быть чисто действительными или чисто мнимыми величинами, для них перестает выполняться равенство R₁=R₂ и их можно рассматривать как случайные процессы со временем корреляции, зависящим от степени инерционности RLC-объекта и глубины модуляции зондирующего сигнала, определяемой модулем отношения G/G₀≤0,5.

Введем сигналы S₁ и S₂ с несущей частотой Ω, сущность которых - это коэффициенты корреляции для пар отраженных колебаний r₁(t), r₀(t) и r₂(t), r₀(t) соответственно:

$$\{\begin{array}{l}{S}_1\left(t\right)=\mathrm{Re}<r_1\left(t\right)r_0{\left(t\right)}^{*}>=\mathrm{Re}\left\{R_1{R}_0^{*}\exp \right\{j\Omega \left(t-\tau \right)\left\}\right\}\\ S_2\left(t\right)=\mathrm{Re}<r_2\left(t\right)r_0{\left(t\right)}^{*}>=\mathrm{Re}\left\{R_2{R}_0^{*}\exp \right\{-j\Omega \left(t-\tau \right)\left\}\right\},\left(6\right)\end{array}$$

где скобки <…> обозначают усреднение по времени. Определим разностный S_Δ(t) и суммарный S_Σ(t) сигналы равенствами:

$$\{\begin{array}{l}{S}_{\Delta }\left(t\right)=S_1\left(t\right)-S_2\left(t\right)\\ S_{\Sigma }\left(t\right)=S_1\left(t\right)+S_2\left(t\right).\left(7\right)\end{array}$$

Из вышеизложенного следует, что при облучении R-объектов АМ-сигналом нулевое значение принимает разностный сигнал S_Δ(t), а при облучении ФМ-сигналом - суммарный сигнал S_Σ(t). В то же время при облучении RLC-объектов AM- или ФМ-сигналом амплитуда U_Δ разностного S_Δ(t) и амплитуда U_Σ суммарного S_Σ(t) сигналов принимают ненулевые значения. Поэтому задача обнаружения RLC-объектов трансформируется в задачу оценки амплитуды U_Δ разностного сигнала S_Δ(t) или амплитуды U_Σ суммарного сигнала S_Σ(t) при использовании AM- или ФМ-сигнала соответственно в качестве зондирующего.

Источники информации

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

2. Решение от 04.12.2012 г. о выдаче патента на изобретение по заявке №2011147575/07(071363) от 24.11.2011 г. «Способ радиолокации нелинейно-инерционных объектов».

Изобретение относится к методам и средствам радиолокации нелинейно-рассеивающих объектов. В качестве зондирующего сигнала используются три гармоники с соответствующими частотами. В результате совместной корреляционной обработки пар сигналов {r₁, r₀} и {r₂, r₀} определяются корреляционные сигналы S₁ и S₂ соответственно и формируются разностный S_Δ=S₁-S₂ и суммарный S_Σ=S₁+S₂ сигналы, а в качестве выходного сигнала радиолокатора используется либо амплитуда U_Δ разностного сигнала, либо амплитуда U_Σ суммарного сигнала в зависимости от выбора начальных фаз у гармоник зондирующего сигнала. Достигаемый технический результат - повышение эффективности обнаружения нелинейных объектов, в состав которых входят инерционные элементы - индуктивности и емкости, на фоне потока сигналов от безынерционных нелинейных объектов. 1 ил.

Способ радиолокационного обнаружения объектов с инерционной нелинейностью, заключающийся в генерации и излучении трех гармонических сигналов с частотами ω₀, ω₁, ω₃ и комплексными амплитудами G₀, G₁, G₂ соответственно, приеме отраженного сигнала и выделении из него трех сигналов r₀, r₁, r₂ с несущими частотами 2ω₀, ω₀+ω₁, ω₀+ω₂ соответственно, отличающийся тем, что дополнительно осуществляется совместная корреляционная обработка пар сигналов {r₁, r₀}, и {r₂, r₀} с формированием соответствующих корреляционных сигналов S₁ и S₂, определение амплитуды U_∆ разностного S_∆=S₁-S₂ и амплитуды U_Σ суммарного S_Σ=S₁+S₂ сигналов, причем частоты ω₁ и ω₂ удовлетворяют условиям ω₁=ω₀+Ω и ω₂=ω₀-Ω, где Ω - частота тональной модуляции, отношения G₁/G₀ и G₂/G₀ выбираются одинаковыми, а в качестве выходного сигнала радиолокатора выбирается либо U_∆, если отношение G₁/G₀=G₂/G₀ является действительной величиной, либо U_Σ, если отношение G₁/G₀=G₂/G₀ является мнимой величиной.