СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ ВОЗДУШНЫХ ЦЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ ДОПЛЕРОВСКОЙ РЛС Российский патент 2015 года по МПК G01S13/66 

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным станциям (РЛС) наблюдения за воздушной обстановкой, работающим в режиме узкополосной доплеровской фильтрации. Известны методы обнаружения целей с помощью доплеровской РЛС, например [1, 2]. Задача обнаружения целей решается с помощью алгоритмов первичной обработки принимаемых сигналов с использованием узкополосной доплеровской фильтрации по тем или иным критериям оптимальности. Далее решается задача измерения угловых координат обнаруженных на определенной доплеровской частоте f_д и радиальной дальности R целей. Известен моноимпульсный метод [3] измерения угловых координат одиночной цели с помощью пеленгационной характеристики. Однако он не использует информацию о доплеровской частоте и, следовательно, не различает цели по скорости. Известен также интерферометрический метод [4] измерения угловых координат с помощью двух разнесенных в пространстве антенн. Однако он обладает таким же недостатком. Также известен способ измерения угловых координат нескольких объектов в многоканальных доплеровских РЛС [5], основанный на восстановлении сигналов отражения в элементах дискретизации линии доплеровской частоты и оценивании угловых координат элементов с наибольшей амплитудой. Данный способ позволяет определить угловые координаты одной или нескольких целей на линии доплеровской частоты, однако требует большого числа каналов измерения (большего, чем число элементов дискретизации), а также дополнительных вычислительных операций оценивания амплитуд в элементах дискретизации. Кроме того, способ [5] основан на применении плоской антенной решетки. Диаграммы направленности (ДН) элементов такой антенны ориентированы параллельно, что не дает возможности обеспечить необходимый угол их перекрытия.

Наиболее близким по технической сущности является способ [2, с. 304-306] измерения угла α между линией визирования на цель и вектором скорости движения объекта-носителя РЛС. Способ заключается в следующем.

1. Угол α связан с доплеровской частотой f_д, скоростью объекта-носителя РЛС v₀, скоростью цели v_ц и длиной волны излучения λ известной [2, с. 306] зависимостью:

2. При известных значениях f_д, λ, v₀ и соотношении скоростей v_ц/v₀ из (1) определяется угловое направление на цель:

Зависимость (1) не учитывает составляющих доплеровской частоты более высокого порядка и применяется в системах со средним разрешением по частоте (режим ДОЛ [2] - ″доплеровского обужения луча″).

Указанный способ обладает следующим недостатком.

Угол α не дает однозначного направления на цель, так как представляет собой угол между направляющей конуса возможных направлений на движущуюся цель и вектором скорости движения носителя РЛС. При пересечении конуса уровня а со сферической поверхностью радиальной дальности R образуется (в антенной системе координат) окружность возможных положений цели. Уравнение окружности в прямоугольных антенных координатах х²+у²=r² с радиусом r=Rsinα после перехода к сферическим координатам φ и θ дает уравнение линии доплеровской частоты (изодопы) [5], которое связывает угол α с азимутом φ и углом места θ следующей нелинейной зависимостью:

При известном значении cosα уравнение (3) содержит две неизвестные величины φ и θ, что создает неопределенность в измерении φ, θ.

В частном случае, когда антенна и цель находятся в одной горизонтальной плоскости над земной или водной поверхностью (угол места равен нулю), угол α совпадает с азимутальным направлением на цель. Однако такая частная ситуация характерна только для бортовых РЛС летательных аппаратов и неприменима для РЛС, установленных на автомобилях или катерах.

Технический результат направлен на устранение указанных недостатков, то есть обеспечивает однозначное измерение угловых координат обнаруженных воздушных целей в зоне видимости движущейся доплеровской РЛС.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что способ измерения угловых координат воздушных целей с помощью доплеровской РЛС заключается в том, что при обнаружении в элементах разрешения дальности целей измеряют их угловые координаты, отличающийся тем, что приемные элементы антенны располагают таким образом, что цель обнаруживается в области пересечения ДН двух парных элементов антенны, одинаково ориентированных по углу места θ₀ и имеющих азимуты соответственно φ₁ и φ₂=φ₁-45°, или одинаково ориентированных по азимуту φ₀ и имеющих углы места соответственно θ₁ и θ₂=θ₁-45°, и при обнаружении цели в приемных каналах двух данных элементов на соответствующих доплеровских частотах f₁ и f₂ при известной длине волны λ, скорости объекта-носителя РЛС v₀ и отношения скорости цели v_ц к v₀:v_ц/v₀ вычисляют косинусы углов α₁ и α₂ отклонения линий визирования на цель от вектора скорости носителя РЛС:

а также угловые координаты цели: азимут φ и угол места θ по формулам

где угол , если данная пара приемных элементов одинаково ориентирована по углу места θ₀, или по формулам

если данная пара приемных элементов одинаково ориентирована по азимуту φ₀, далее на множестве таких пар определяют угловые координаты всех движущихся целей, обнаруженных в зоне пересечения ДН парных приемных элементов антенны.

Способ осуществляют следующим образом.

1. Приемные элементы антенной решетки располагают таким образом, чтобы цель обнаруживалась в области пересечения широких круговых ДН (например, 60° на уровне 0,5 мощности) парных элементов антенны, одинаково ориентированных по углу места или азимуту.

2. Последовательности отраженных сигналов, принятые элементами антенны, проходят тракт первичной обработки, включающий стробирование по дальности, фазовое детектирование, фильтрацию на низкой частоте и быстрое преобразование Фурье (БПФ).

3. В каждом элементе разрешения дальности на выходе БПФ выделяют частоты, на которых амплитуды сигналов превышают порог обнаружения движущейся цели.

4. Выделяют пары приемных элементов антенны, биссектрисы ДН которых имеют одинаковый угол места θ₀, азимутальные направления φ₁ и φ₂ отличаются на заданный угол [например 45°, возможны и другие углы при выводе формул (4), (5)], и присутствие цели обнаружено в приемных каналах данных элементов на доплеровских частотах f₁ и f₂.

5. Для каждой такой пары вычисляют угловые координаты цели: азимут φ и угол места θ при известной длине волны λ, скорости объекта-носителя РЛС v₀ и отношении скорости цели v_ц к v₀:v_ц/v₀ по формулам (4) или (5) в зависимости от взаимного расположения пары.

6. На множестве подобных пар определяют угловые координаты всех движущихся целей, обнаруженных в зоне пересечения ДН приемных элементов.

Расчетная часть

Пусть в данном элементе разрешения дальности R выделена пара приемных элементов антенны, в области пересечения ДН которых обнаружено присутствие цели на доплеровских частотах f₁ и f₂. Обозначим φ и θ искомые угловые координаты цели, φ_χ и φ₂ - азимуты биссектрис ДН соответственно первого и второго приемного элемента данной пары и φ₁-φ₂=45°, θ₀ - угол места данной пары в общей антенной системе координат.

Тогда уравнение (3) для данной пары дает систему двух уравнений:

где α₁ и α₂ - углы отклонения линий визирования на цель первого и второго приемных элементов антенны от вектора скорости объекта-носителя РЛС, и в соответствии с (1):

Обозначим угол β=φ-φ₁, тогда φ-φ₂=β+φ₁-φ₂=β+45°. Система (7) принимает вид

После деления второго уравнения системы (8) на первое с учетом (7) получаем угол β и азимут цели φ:

Далее из первого уравнения системы (8) находим угол места цели θ:

θ=θ₀+arccos(cos α₁/cosβ),

что подтверждает формулы (4).

Пусть для данной пары биссектрисы первого и второго приемного элементов имеют углы места θ₁ и θ₂, φ₀ - азимут пары в общей антенной системе координат.

Тогда уравнение (3) дает систему двух уравнений:

Обозначим угол β=θ-θ_ι, тогда θ-θ₂=β+θ₁-θ₂=β+45°. Система (9) принимает вид

После деления второго уравнения системы (10) на первое с учетом (7) получаем угол β и угол места цели θ: , θ=θ₁+β, а из первого уравнения азимут φ=φ₀+arccos(cosα₁/cosβ), что подтверждает формулы (5).

Выводы

Предложенный способ позволяет однозначно найти оценки угловых координат неподвижных или движущихся целей по факту обнаружения каждой цели на двух доплеровских частотах в каналах первичной обработки двух выбранных приемных элементов антенны в зоне перекрытия их ДН с операциями по формулам (4) и (5). Реализация способа может быть осуществлена на базе существующих антенных систем.

Литература

1. Бакулев П.А., Степин В.М. Методы и устройства селекции движущихся целей. М.: Радио и связь, 1986. 288 с.

2. Кондратенков Г.С, Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли: учеб. пособие для вузов / под ред. Г.С. Кондратенкова. М.: Радиотехника, 2005. 368 с.

3. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. М.: Радио и связь, 1984. 312 с.

4. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1983. 536 с.

5. Патент RU 2373551 C1.

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным станциям (РЛС) наблюдения за воздушной обстановкой, работающим в режиме узкополосной доплеровской фильтрации. Технический результат направлен на однозначное измерение угловых координат обнаруженных воздушных целей в зоне видимости движущейся доплеровской РЛС. Указанный результат достигается за счет того, что способ измерения угловых координат воздушных целей с помощью доплеровской РЛС заключается в вычислении угловых координат обнаруженных в элементах разрешения дальности целей на основе доплеровских частот, измеренных в каждой паре приемных элементов, расположенных определенным образом на антенне.

Способ измерения угловых координат воздушных целей с помощью доплеровской РЛС, заключающийся в том, что при обнаружении в элементах разрешения дальности целей измеряют их угловые координаты, отличающийся тем, что приемные элементы антенны располагают таким образом, что цель обнаруживается в области пересечения диаграмм направленности (ДН) двух парных элементов антенны, одинаково ориентированных по углу места θ₀ и имеющих азимуты соответственно φ₁ и φ₂=φ₁-45°, или одинаково ориентированных по азимуту φ₀ и имеющих углы места соответственно θ₁ и θ₂=θ₁-45°, и при обнаружении цели в приемных каналах двух данных элементов на соответствующих доплеровских частотах f₁ и f₂ при известной длине волны λ, скорости объекта-носителя РЛС v₀ и отношения скорости цели v_ц к v₀:v_ц/v₀ вычисляют косинусы углов α₁ и α₂ отклонения линий визирования на цель от вектора скорости носителя РЛС:

а также угловые координаты цели: азимут φ и угол места θ по формулам
φ=φ₁+β, θ=θ₀+arccos(cosα₁/cosβ),

где угол , если данная пара приемных элементов одинаково ориентирована по углу места θ₀, или по формулам
φ=φ₀+arccos(cosα₁/cosβ), θ=θ_χ+β,
если данная пара приемных элементов одинаково ориентирована по азимуту φ₀, далее на множестве таких пар определяют угловые координаты всех движущихся целей, обнаруженных в зоне пересечения ДН парных приемных элементов антенны.