СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ Российский патент 2015 года по МПК G01S13/00 

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при построении различных радиолокационных систем, предназначенных для определения дальности от движущегося объекта до поверхности земли, использующих принцип отражения радиоволн (радиодальномеры или дальномеры).

Известен способ определения дальности D до поверхности земли [1], применяемый в радиодальномерах, использующих принцип отражения радиоволн, и заключающийся в измерении временной задержки t_ЗАД (временного интервала) от момента излучения зондирующего сигнала и до момента приема зондирующего сигнала, отраженного от поверхности земли (отраженный сигнал).

Способ [1] реализуется следующим образом.

Излучают зондирующий сигнал, длительностью t_ЗОНД, в направлении поверхности земли с периодом T_C.

Дифференцируют фронт принятого отраженного сигнала так, что максимум продифференцированного сигнала находился на фронте отраженного сигнала.

Осуществляют обнаружение (поиск) по дальности сигнала, отраженного от поверхности земли, используя селектирующие импульсы, которые перемещают в диапазоне времен t_{ЗАД МАКС} задержек от минимума до максимума, что соответствует изменению дальности от минимума до максимума по расстоянию. При этом селектирующие импульсы имеют одинаковую длительность и амплитуду.

Процесс поиска (обнаружения) отраженного сигнала заканчивается, когда максимум продифференцированного отраженного сигнала совпадает с линией, находящейся на равном расстоянии от каждого селектирующего импульса.

Причем длительность каждого селектирующего импульса t_СИ устанавливают такой, чтобы она превышала длительность фронта t_{Ф ОТР} отраженного сигнала

Осуществляют слежение (сопровождение) за обнаруженным сигналом путем отслеживания его временного положения за счет поддержания постоянным состояния, когда максимум продифференцированного отраженного сигнала совпадает с линией соприкосновения селектирующих импульсов.

Измеряют временной интервал, равный временной задержке t_ЗАД между моментом излучения зондирующего сигнала (импульса) и до момента приема отраженного сигнала - фронта отраженного сигнала (максимум продифференцированного отраженного сигнала).

Вычисляют дальность D (расстояние) до поверхности земли по измеренному значению t_ЗАД по формуле

где с - скорость распространения сигнала.

Выдают измеренное значение дальности.

Недостатками способа [1] являются:

- недостаточная надежность способа - отсутствие обнаружения отраженного сигнала при высокой скорости изменения временной задержки отраженного сигнала;

- недостаточная точность определения дальности D до поверхности земли, которая определяется длительностью селектирующего импульса t_СИ, а уменьшить значение t_СИ не удается в силу ограничения (1), в противном случае надежность обнаружения и слежения за отраженным сигналом снижаются и возможна потеря сигнала до измерения его параметров; различие в амплитудах и форме селектирующего импульса также снижает точность определения дальности;

- невозможность уверенного обнаружения отраженного сигнала при значениях отношения сигнал-шум, близких к единице;

- недостаточная точность определения дальности при малых значениях отношения сигнал-шум, так как помехи увеличивают нестабильность фронтов селектирующих импульсов и снижают точность определения максимума продифференцированного отраженного сигнала;

- большое время обнаружения (поиска) сигнала, которое определяется временем перемещения селектирующих импульсов в диапазоне времен t_{ЗАД МАКС} от минимума до максимума;

- высокая вероятность ложной тревоги и низкая вероятность правильного обнаружения отраженного сигнала из-за отсутствия при определении дальности накопления сигналов при определении дальности до поверхности земли.

Известен способ определения дальности D до поверхности земли [2], выбранный за прототип, применяемый в радиодальномерах, использующих принцип отражения радиоволн, и заключающийся в проведении трехэтапных измерений - грубого измерения дальности на первом этапе, точного измерения дальности на втором этапе, подтверждения результатов точного измерения дальности результатами грубого измерения на третьем этапе.

Реализация способа [2] заключается в следующем.

Первый этап проводят в два подэтапа.

Первый подэтап

Излучают зондирующий сигнал длительностью t_ЗОНД в направлении поверхности земли с периодом Т_С.

Измеряют временную задержку, определяющую первое грубое значение дальности D^ГРУБ согласно (2), путем поиска и предварительного обнаружения сигнала, отраженного от поверхности земли, во временном интервале t_ЗАД, соответствующем временному интервалу от минимального значения определяемой дальности D_МИН до максимального значения определяемой дальности D_МАКС, разбитым на N селектирующих импульсов, являющихся парциальными интервалами времени одинаковой длительности Δt (каждому из которых соответствует свой селектирующий импульс), на который разбивают интервал определяемой дальности ΔR.

Поиск сигнала, отраженного от поверхности земли, производят путем накопления отраженных сигналов в N селектирующих импульсах длительностью Δt.

Для сохранения высокой вероятности правильного обнаружения отраженного сигнала при заданной вероятности ложной тревоги устанавливают порог накопления k.

Проводят поиск отраженного сигнала одновременно по всем селектирующим импульсам для сокращения времени обнаружения (поиска) сигнала. Отраженный сигнал считается обнаруженным, когда в одном из селектирующих импульсов длительностью Δt происходит превышение порога накопления k.

Выполняют первое грубое определения дальности путем измерения временного интервала между моментом излучения зондирующего сигнала и фронтом селектирующего импульса, в котором произошло обнаружение отраженного сигнала U_ОТР. Значение определяет первое грубое значение дальности D^ГРУБ1 по (2).

Вычисляют первое грубое значение дальности до поверхности земли по измеренному первому грубому значению временной задержки .

Точность получения дальности D^ГРУБ1 определяется длительностью селектирующего импульса Δt.

Таким образом, производят устойчивое обнаружение отраженного сигнала при высокой скорости изменения временной задержки отраженного сигнала с низкой точностью определения дальности.

Второй подэтап

Второе грубое (предварительное) определение дальности проводят во временном интервале Δt₁, соответствующем сокращенной зоне поиска, применение которой повышает помехоустойчивость способа определения дальности до поверхности земли за счет уменьшения вероятности обнаружения ложного сигнала при уменьшении зоны поиска.

Длительность всех селектирующих импульсов Δt₁ равна длительности трех селектирующих импульсов Δt: селектирующему импульсу Δt, в котором был обнаружен отраженный сигнал, и двум соседним (справа и слева от него), в которые может сместиться отраженный сигнал за время окончательного обнаружения отраженных сигналов на втором подэтапе. Центр временного интервала Δt₁ соответствует временному положению центра селектирующего импульса Δt, в котором произошло предварительное обнаружение отраженного сигнала U_ОТР.

Окончательное обнаружение отраженных сигналов проводят путем накопления отраженных сигналов в N₁ селектирующих импульсах Δt₁, являющихся парциальными интервалами времени одинаковой длительности. Причем Δt₁=Δt/b, где b≥4, что повышает точность измерения дальности при окончательном обнаружении отраженных сигналов.

Отраженный сигнал считается обнаруженным, когда в одном из селектирующих импульсов Δt₁ происходит превышение порога накопления k₁. Причем k₁<k.

Выполняют второе грубое определение дальности путем измерения временного интервала между моментом излучения зондирующего сигнала и фронтом селектирующего импульса, в котором произошло обнаружение отраженного сигнала U_ОТР. Значение определяет второе грубое (предварительное) значение дальности D^ГРУБ2 по формуле (2).

Точность измерения временной задержки определяется длительностью селектирующего импульса Δt₁, что повышает точность измерения дальности при окончательном обнаружении отраженных сигналов.

Второй этап

Выставляют опорный сигнал U_ОПОРН c задержкой, равной длительности временного интервала, соответствующего второму грубому (предварительному) определению дальности.

Обнуляют всю накопленную информацию по всем селектирующим импульсам для обеспечения возможности последующих обнаружений.

Осуществляют точное слежение (сопровождение) за обнаруженным сигналом путем дискриминации принятого отраженного U_ОТР сигнала и опорного U_ОПОРН сигнала для выработки сигнала Δt_Р рассогласования, представляющего собой разность временных положений указанных сигналов t_ОТР и t_ОПОРH.

Сигнал рассогласования Δt_P воздействует на опорный сигнал, изменяя задержку между сигналами U_ОТР и U_ОПОРH так, чтобы она стремилась к нулю.

Измеряют временной интервал, равный временной задержке между излученным сигналом и временным положением опорного сигнала U_ОПОРН, осуществляют точное (окончательное) определение дальности D^ТОЧН до поверхности земли по измеренному значению согласно выражению (2). Точность измерения временной задержки определяется эквивалентной полосой, при которой происходит процесс дискриминации.

Вычисляют точное (окончательное) значение дальности до поверхности земли по измеренному точному (окончательному) значению временной задержки .

Третий этап - подтверждение результатов точного определения дальности.

Проводят двухподэтапное обнаружение отраженного сигнала U_ОТП (аналогично двухподэтапному обнаружению отраженного сигнала на первом этапе), выполняя на первом подэтапе предварительное обнаружение отраженных сигналов и первое грубое определение дальности во всем диапазоне определяемых дальностей с низкой точностью определения дальности и проводя на втором подэтапе окончательное обнаружение отраженных сигналов и второе грубое определение дальности в ограниченном диапазоне определяемых дальностей.

После завершения каждого обнаружения отраженного сигнала на третьем этапе обнуляют всю накопленную информацию по всем селектирующим импульсам для обеспечения возможности последующих обнаружений.

Двухподэтапное обнаружение проводят циклически без изменения задержки опорного сигнала U_ОПОРН.

Сравнивают с пороговым значением ΔD разности результатов второго грубого и точного определений дальности. Пороговое значение ΔD определяется длительностью двух селектирующих импульсов Δf₁. В результате происходит подтверждение результатов точного определения дальности путем циклического обнаружения отраженного сигнала U_ОТП, обеспечивая при точном определении дальности вероятностные характеристики (вероятности ложной тревоги и правильного обнаружения), получаемые при грубом определении дальности.

При непревышении разности результатов измерений порогового значения ΔD вычисляют точное значение дальности D^ТОЧН до поверхности земли.

Выдают точную определенную дальность D^ТОЧН по определенному точному значению временной задержки.

При превышении разности результатов измерений порогового значения ΔD прекращают точное определение дальности, выставляют опорный сигнал U_ОПОРН с задержкой, равной длительности временного интервала, соответствующего последнему второму грубому определению дальности до земной поверхности t_ОПОРН, и проводят точное измерение временного интервала, соответствующего последнему положению селектирующего импульса Δt₁, в котором произошло обнаружение, и которое используют для вычисления точного значения дальности до поверхности земли.

Проводят подтверждение результатов точного определения временной задержки и выдают точное значение дальности.

При отсутствии подтверждения результатов точного определения дальности, возникающего: при значениях отношения сигнал-шум, близких к единице, при пропаданиях отраженного сигнала и других, когда точное определение дальности затруднено, выдают вычисленное грубое значение дальности в качестве результата определения дальности до поверхности земли.

Недостатком способа [2] является недостаточная надежность - отсутствие возможности обнаружения отраженного сигнала при высокой скорости изменения временной задержки отраженного сигнала. Дело в том, что отраженный сигнал считается обнаруженным, когда в одном из селектирующих импульсов Δt₁ происходит превышение порога накопления k₁. При высокой скорости изменения временной задержки отраженного сигнала, когда земная поверхность имеет большие перепады высот рельефа или движущийся объект движется с большой вертикальной скоростью (в том числе и со знакопеременной вертикальной скоростью) и прочее, количество накапливаемых отраженных сигналов в селектирующих импульсах будет недостаточно для превышения порога накопления k₁ и отраженный сигнал не будет обнаружен.

Кроме того, из-за снижения порога накопления с k до k₁ уменьшается вероятность правильного обнаружения отраженного сигнала при заданной вероятности ложной тревоги.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности способа определения дальности до поверхности земли за счет адаптации длительности селектирующих импульсов к скорости изменения временной задержки отраженного сигнала на втором подэтапе обнаружения сигнала третьего этапа.

Технический результат достигается тем, что в способе определения дальности до поверхности земли, заключающемся в излучении зондирующего сигнала в направлении поверхности земли, поиске и обнаружении сигнала, отраженного от поверхности земли, и слежении за обнаруженным отраженным сигналом путем дискриминации принятого отраженного сигнала и опорного сигнала для выработки сигнала Δt_p рассогласования, представляющего собой разность временных положений указанных сигналов и воздействующего на опорный сигнал, изменяя его временное положение так, чтобы сигнал рассогласования стремился к нулю Δt_p→0, измерении временного интервала, равного временной задержке между излученным сигналом и временным положением опорного сигнала, вычислении дальности D до поверхности земли по измеренному значению временной задержки, определение дальности до поверхности земли осуществляют в три этапа. На первом этапе в два подэтапа осуществляют поиск и обнаружение отраженных сигналов. На первом подэтапе проводят поиск и предварительное обнаружение отраженных сигналов путем накопления отраженных сигналов в N селектирующих импульсах Δt, являющихся парциальными интервалами времени одинаковой длительности, на которые разбивают интервал измеряемой дальности ΔR, и превышения в одном из селектирующих импульсов порога накопления k, причем k>1. Выполняют первое грубое (предварительное) определение дальности путем измерения временной задержки между моментом излучения зондирующего сигнала и фронтом селектирующего импульса, в котором произошло обнаружение отраженного сигнала. Поиск и обнаружение отраженного сигнала проводят одновременно по всем селектирующим импульсам. Вычисляют первое грубое (предварительное) значение дальности до поверхности земли по измеренному первому грубому (предварительному) значению временной задержки. На втором подэтапе проводят окончательное обнаружение отраженных сигналов во временном интервале t_ЗАД1 постоянной длительности путем накопления отраженных сигналов в N₁ селектирующих импульсах Δt₁, являющихся парциальными интервалами времени одинаковой длительности, причем Δt₁=Δt/b, где b≥4, а длительность всех селектирующих импульсов Δt₁ равна длительности трех селектирующих импульсов Δt, с центром временного интервала t_ЗАД1, соответствующим временному положению центра селектирующего импульса Δt, в котором произошло предварительное обнаружение отраженного сигнала, и превышения в одном из селектирующих импульсов Δt₁ порога накопления k₁, причем k₁<k. Выполняют второе грубое определение дальности путем измерения временной задержки между моментом излучения зондирующего сигнала и фронтом селектирующего импульса, в котором произошло обнаружение отраженного сигнала. Поиск и обнаружение отраженного сигнала проводят одновременно по всем селектирующим импульсам N₁. Вычисляют второе грубое значение дальности до поверхности земли по измеренному второму грубому (предварительному) значению временной задержки. На втором этапе выставляют опорный сигнал с задержкой, равной длительности временного интервала, соответствующего второму грубому (предварительному) определению дальности. Обнуляют всю накопленную информацию по всем селектирующим импульсам. Осуществляют точное слежение за обнаруженным отраженным сигналом путем дискриминации принятого отраженного сигнала и опорного сигнала для выработки сигнала Δt_p рассогласования и уменьшения его длительности до нуля. Измеряют временной интервал, равный временной задержке между излученным сигналом и временным положением опорного сигнала. Вычисляют точное значение дальности до поверхности земли по измеренному точному значению временной задержки. На третьем этапе проводят подтверждение результатов точного определения дальности путем обнаружения отраженного сигнала в два подэтапа без изменения задержки опорного сигнала (аналогично обнаружению отраженного сигнала на первом этапе). На первом подэтапе проводят поиск и предварительное обнаружение отраженных сигналов путем накопления отраженных сигналов в N селектирующих импульсах Δt, являющихся парциальными интервалами времени одинаковой длительности, и превышения в одном из селектирующих импульсов порога накопления k. Выполняют первое грубое определение дальности путем измерения временной задержки между моментом излучения зондирующего сигнала и фронтом селектирующего импульса, в котором произошло обнаружение отраженного сигнала. Вычисляют первое грубое значение дальности до поверхности земли по измеренному первому грубому значению временной задержки. На втором подэтапе осуществляют окончательное обнаружение отраженного сигнала. Выполняют второе грубое определение дальности путем измерения временной задержки между моментом излучения зондирующего сигнала и фронтом селектирующего импульса, в котором произошло обнаружение отраженного сигнала. Вычисляют второе грубое значение дальности до поверхности земли по измеренному второму грубому значению временной задержки. Обнуляют всю накопленную информацию по всем селектирующим импульсам. Сравнивают с пороговым значением разности результатов грубого и точного определений дальности. При непревышении разности результатов определения дальности порогового ΔD значения вычисляют точное значение дальности до поверхности земли по измеренному точному значению временной задержки и выдают точную определенную дальность. При превышении разности результатов определения дальности порогового ΔD значения прекращают точное определение дальности. Выставляют опорный сигнал с задержкой, равной длительности временного интервала, соответствующего последней грубо определенной дальности, и проводят точное измерение временного интервала, которое используют для вычисления точного значения дальности до поверхности земли. Проводят подтверждение результатов точного измерения временной задержки и выдают точное значение дальности. При отсутствии подтверждения результатов точного определения дальности выдают вычисленное грубое значение дальности в качестве результата определения дальности до поверхности земли. На третьем этапе первый подэтап поиска и предварительного обнаружения отраженных сигналов путем накопления отраженных сигналов в N селектирующих импульсах Δt проводят однократно. На втором подэтапе третьего этапа циклически осуществляют обнаружение отраженного сигнала и вычисление второго грубого значения дальности до поверхности земли и сравнение с пороговым значением разности результатов второго грубого и точного определений дальности. Обнаружение отраженных сигналов проводят в ограниченном диапазоне определяемых дальностей, соответствующем временному интервалу t_ЗАД2 переменной длительности с использованием порога накопления k по N₂ селектирующим импульсам Δt(i) переменной длительности, текущее значение которых изменяют после каждого i-го обнаружения отраженных сигналов как Δt(i)≥Δt₁+2Δt_P(i-1), где Δt_p(i-1) - среднее значение сигнала рассогласования между принятым отраженным сигналом и опорным сигналом при точном слежении за время проведения предыдущего обнаружения отраженных сигналов на третьем этапе, а центр временного интервала t_ЗАД2 соответствует в i-м цикле обнаружения отраженных сигналов временному положению центра селектирующего импульса Δt(i), в котором произошло обнаружение отраженного сигнала U_ОТР в (i-1)-м цикле обнаружения отраженных сигналов на втором подэтапе третьего этапа. После каждого цикла обнаружения обнуляют всю накопленную информацию по всем селектирующим импульсам.

Способ определения дальности до поверхности земли осуществляется следующим образом.

Определение дальности до поверхности земли проводят путем определения параметров отраженного сигнала, в ходе которых измеряют грубые и точные значения задержки отраженного сигнала.

Определение дальности до поверхности земли осуществляют в три этапа.

Первый этап

На первом этапе определяют грубое значение дальности. При этом измеряют временную задержку, которая определяет грубое значение дальности сигнала, отраженного от поверхности земли - дальность до поверхности земли согласно (2). Первый этап проводят в два подэтапа.

Реализация первого этапа заключается в следующем.

Первый подэтап

Проводят предварительное обнаружение отраженных сигналов и выполняют первое грубое определение дальности во всем диапазоне дальностей с низкой точностью определения дальности.

Излучают зондирующий сигнал длительностью t_ЗОНД в направлении поверхности земли с периодом Т_С.

Измеряют временную задержку, определяющую первое грубое значение дальности D^ГРУБ согласно (2), путем поиска и предварительного обнаружения сигнала, отраженного от поверхности земли, во временном интервале t_ЗАД, соответствующем временному интервалу от минимального значения определяемой дальности D_МИН до максимального значения определяемой дальности D_МАКС, разбитым на N селектирующих импульсов Δt, являющихся парциальными интервалами времени одинаковой длительности (каждому из которых соответствует свой селектирующий импульс), на который разбивают интервал определяемой дальности ΔR, имеющей вид

Поиск сигнала, отраженного от поверхности земли, производят путем накопления отраженных сигналов в N селектирующих импульсах Δt.

Для сохранения высокой вероятности правильного обнаружения отраженного сигнала и низкой вероятности ложной тревоги устанавливают порог накопления k. Чем больше значение порога накопления k, тем выше вероятность правильного обнаружения и меньше вероятность ложного срабатывания при обнаружении отраженного сигнала. Максимальное значение порога накопления k ограничено временем, в течение которого сигнал, отраженный от поверхности земли, находится в пределах одного и того же селектирующего импульса.

Проводят поиск отраженного сигнала одновременно по всем селектирующим импульсам для сокращения время обнаружения (поиска) сигнала.

Отраженный сигнал считается обнаруженным, когда в одном из селектирующих импульсов Δt происходит превышение порога накопления k.

Выполняют первое грубое определение дальности путем измерения временного интервала между моментом излучения зондирующего сигнала и фронтом селектирующего импульса, в котором произошло обнаружение отраженного сигнала U_ОТР. Значение определяет первое грубое значение дальности D^ГРУБ1 по (2).

Вычисляют первое грубое значение дальности до поверхности земли по измеренному первому грубому значению временной задержки .

Точность получения дальности D^ГРУБ1 определяется длительностью селектирующего импульса Δt.

Второй подэтапПроводят окончательное обнаружение отраженных сигналов и выполняют второе грубое (предварительное) определение дальности в ограниченном диапазоне определяемых дальностей с высокой точностью определения дальности.

Второе грубое (предварительное) определение дальности проводят во временном интервале t_ЗАД1, соответствующем сокращенной зоне поиска, применение которой повышает помехоустойчивость способа определения дальности до поверхности земли за счет уменьшения вероятности обнаружения ложного сигнала при уменьшенной зоне поиска.

Временной интервал t_ЗАД1, разбитый на N₁ селектирующих импульсов Δt₁, равен длительности трех селектирующих импульсов Δt: селектирующему импульсу Δt, в котором был обнаружен отраженный сигнал, и двум соседним (справа и слева от него), в которые может сместиться отраженный сигнал за время окончательного обнаружения отраженных сигналов на втором подэтапе. Центр временного интервала t_ЗАД1 соответствует временному положению центра селектирующего импульса Δt, в котором произошло предварительное обнаружение отраженного сигнала U_ОТР.

При этом выполняются соотношения

где b≥4,

Причем длительность парциального временного интервала Δt₁ устанавливают такой, чтобы она соответствовала длительности фронта t_{Ф ОТР} отраженного сигнала

Отраженный сигнал считается обнаруженным, когда в одном из селектирующих импульсов Δt₁ происходит превышение порога накопления k₁. Причем

Чем больше значение порога накопления k₁, тем выше вероятность правильного обнаружения при заданной вероятности ложного срабатывания при обнаружении отраженного сигнала. Однако чем больше значение порога накопления k₁, тем большее количество накапливаемых отраженных сигналов в селектирующих импульсах Δt₁ должно быть накоплено для превышения порога накопления в одном из селектирующих импульсов для обнаружения отраженного сигнала. Значение порога накопления k₁ выбирают исходя из заданных требований по вероятности правильного обнаружения при заданной вероятности ложного срабатывания при обнаружении отраженного сигнала.

Выполняют второе грубое (предварительное) определение дальности путем измерения временного интервала между моментом излучения зондирующего сигнала и фронтом селектирующего импульса Δt₁, в котором произошло обнаружение отраженного сигнала U_ОТП. Значение определяет второе грубое (предварительное) значение дальности D^ГРУБ2 по (2).

Точность измерения временной задержки определяется длительностью селектирующего импульса Δt₁, величина которого определяется длительностью фронта t_{Ф ОТР} отраженного сигнала, причем Δt₁=Δt/b, согласно (4), что повышает точность измерения дальности при окончательном обнаружении отраженных сигналов.

Второй этап

На втором этапе осуществляют точное слежение за обнаруженным отраженным сигналом путем дискриминации принятого отраженного сигнала и опорного сигнала для выработки сигнала рассогласования и уменьшении его длительности до нуля и вычисляют точное (окончательное) значение дальности до поверхности земли.

Реализация второго этапа заключается в следующем.

Выставляют опорный сигнал U_ОПОРН c задержкой, равной длительности временного интервала, соответствующего второму грубому (предварительному) определению дальности.

Обнуляют всю накопленную информацию по всем селектирующим импульсам для обеспечения возможности последующих обнаружений.

Осуществляют точное слежение (сопровождение) за обнаруженным сигналом путем дискриминации принятого отраженного U_ОТР сигнала и опорного U_ОПОРН сигнала для выработки сигнала Δt_P, рассогласования, представляющего собой разность временных положений указанных сигналов t_ОТР и t_ОПОРН

Сигнал рассогласования Δt_P воздействует на опорный сигнал, изменяя задержку между сигналами U_ОТР и U_ОПОРН так, чтобы она стремилась к нулю

Измеряют временной интервал, равный временной задержке между излученным сигналом и временным положением опорного сигнала U_ОПОРН, осуществляют точное (окончательное) определение дальности D^ТОЧН до поверхности земли по измеренному значению согласно (2).

Точность измерения временной задержки определяется эквивалентной полосой, при которой происходит процесс дискриминации.

Вычисляют точное (окончательное) значение дальности до поверхности земли по измеренному точному (окончательному) значению временной задержки .

Третий этап

На третьем этапе проводят подтверждение результатов точного измерения дальности путем обнаружения отраженного сигнала U_ОТП и сравнения с пороговым значением разности результатов измерений второго грубого и точного измерений дальности.

Третий этап проводят в два подэтапа.

Реализация третьего этапа заключается в следующем.

Первый подэтап

Проводят однократно предварительное обнаружение отраженных сигналов и выполняют первое грубое определение дальности во всем диапазоне дальностей с низкой точностью определения дальности.

Измеряют временную задержку излученного зондирующего сигнала, определяющую первое грубое значение дальности D^ГРУБ согласно (2), путем поиска и предварительного обнаружения отраженного сигнала U_ОТР, во временном интервале t_ЗАД, соответствующем временному интервалу от минимального значения определяемой дальности D_МИН до максимального значения определяемой дальности D_МАКС, разбитым на N селектирующих импульсов, являющихся парциальными интервалами времени одинаковой длительности Δt (каждому из которых соответствует свой селектирующий импульс), на который разбивают интервал определяемой дальности ΔR.

Проводят поиск отраженного сигнала путем накопления отраженных сигналов в N селектирующих импульсах одновременно по всем селектирующим импульсам.

Отраженный сигнал считается обнаруженным, когда в одном из селектирующих импульсов Δt происходит превышение порога накопления k.

Выполняют первое грубое определения дальности путем измерения временного интервала между моментом излучения зондирующего сигнала и фронтом селектирующего импульса, в котором произошло обнаружение отраженного сигнала U_ОТП. Значение определяет первое грубое значение дальности D^ГРУБ1 по (2).

Вычисляют первое грубое значение дальности до поверхности земли по измеренному первому грубому значению временной задержки .

Второй подэтап

На втором подэтапе циклически осуществляют обнаружение отраженного сигнала, вычисление второго грубого значения дальности до поверхности земли и сравнение с пороговым значением разности результатов второго грубого и точного определений дальности.

После завершения каждого обнаружения отраженного сигнала на третьем этапе обнуляют всю накопленную информацию по всем селектирующим импульсам для обеспечения возможности последующих обнаружений.

Обнаружение отраженных сигналов проводят в ограниченном диапазоне определяемых дальностей с адаптацией длительности селектирующих импульсов к скорости изменения рельефа поверхности.

Обнаружение отраженного сигнала U_ОТР проводят во временном интервале t_ЗАД2.

Временной интервал t_ЗАД2, разбитый на N₂ селектирующих импульсов Δt(i), первоначально равен длительности трех селектирующих импульсов Δt: селектирующему импульсу Δt, в котором был обнаружен отраженный сигнал, и двум соседним (справа и слева от него), в которые может сместиться отраженный сигнал за время обнаружения отраженных сигналов на втором подэтапе. Центр временного интервала t_ЗАД2 первоначально соответствует временному положению центра селектирующего импульса Δt, в котором произошло обнаружение отраженного сигнала U_ОТР на первом подэтапе третьего этапа.

Значение длительности селектирующих импульсов Δt(i) определяют как

где Δt_p(i-1) - среднее значение сигнала рассогласования между принятым отраженным сигналом и опорным сигналом при точном слежении за время проведения предыдущего обнаружения отраженных сигналов на третьем этапе (первоначально за время проведения обнаружения отраженных сигналов на первом подэтапе третьего этапа).

Отраженный сигнал считается обнаруженным, когда в одном из N₂ селектирующих импульсов Δt(i) происходит превышение порога накопления k.

Выполняют второе грубое определение дальности путем измерения временного интервала между моментом излучения зондирующего сигнала и фронтом селектирующего импульса Δt(i), в котором произошло обнаружение отраженного сигнала U_ОТР. Значение определяет второе грубое значение дальности D^ГРУБ2 по (2).

Во время второго и последующих циклов второго подэтапа третьего этапа обнаружение отраженных сигналов производят также в N₂ селектирующих импульсах Δt(i).

В результате центр временного интервала t_ЗАД2 соответствует в i-м цикле обнаружения отраженных сигналов временному положению центра селектирующего импульса Δt(i), в котором произошло обнаружение отраженного сигнала U_ОТР в (i-1)-м цикле обнаружения отраженных сигналов на втором подэтапе третьего этапа, причем после каждого цикла обнаружения обнуляют всю накопленную информацию по всем селектирующим импульсам.

Таким образом, текущее значение длительности селектирующих импульсов Δt(i) изменяют после каждого i-го обнаружения отраженных сигналов, уточняя среднее значение сигнала Δt_p(i) рассогласования между принятым отраженным сигналом и опорным сигналом при точном слежении за время проведения предыдущего обнаружения отраженных сигналов на третьем этапе.

Временной интервал t_ЗАД2 на втором подэтапе третьего этапа будет переменной длительности: количество селектирующих импульсов N₂ постоянно, а текущее значение длительности селектирующих импульсов Δt(i) может изменяться после каждого обнаружения отраженных сигналов.

Циклическое обнаружение на третьем этапе проводят без изменения задержки опорного сигнала U_ОПОРН.

В каждом цикле второго подэтапа третьего этапа сравнивают с пороговым значением ΔD разности результатов второго грубого и точного определений дальности. Пороговое значение ΔD определяется длительностью двух селектирующих импульсов Δt(i). В результате происходит подтверждение результатов точного определения дальности путем циклического обнаружения отраженного сигнала U_ОТР, обеспечивая при точном определении дальности вероятностные характеристики (вероятности ложной тревоги и правильного обнаружения), получаемые при грубом определении дальности.

При непревышении разности результатов измерений порогового значения ΔD выдают точную определенную дальность D^ТОЧН по определенному точному (окончательному) значению временной задержки.

При превышении разности результатов измерений порогового значения ΔD прекращают точное определение дальности, выставляют опорный сигнал U_ОПОРН c задержкой, равной длительности временного интервала, соответствующего последнему второму грубому определению дальности до земной поверхности t_ОПОРН и проводят точное измерение временного интервала, соответствующего последнему положению селектирующего импульса Δt(i), в котором произошло обнаружение, и которое используют для вычисления точного значения дальности до поверхности земли.

Проводят подтверждение результатов точного определения временной задержки и выдают точное значение дальности.

При отсутствии подтверждения результатов точного определения дальности, возникающего: при значениях отношения сигнал-шум, близких к единице, при пропаданиях отраженного сигнала и других, когда точное определение дальности затруднено, выдают вычисленное второе грубое значение дальности в качестве результата определения дальности до поверхности земли.

Укажем особенности данного способа.

В выражении (10) перед Δt_p(f) выбран коэффициент 2, поскольку сигнал рассогласования определяется по центру отраженного сигнала U_ОТР (при этом не учитывается срез отраженного сигнала), а коэффициент 2 расширяет селектирующий импульс Δt(i) именно для учета среза отраженного сигнала.

Исходя из (10) имеем следующее. На первом шаге дискриминации при i=1 имеем Δt(1)=Δt₁. Для i=2 получим Δt(2)=Δt₁+2Δt(1). При i=3 будет Δt(3)=Δt₁+2Δt_p(2) и так далее. Причем Δt_p(1)≠Δt_p(2), поскольку в каждом такте будет свое значение Δt_p(i), поэтому Δt_p(i) ≠Δt_p(i+1).

Текущее значение Δt(i) в (10) состоит из константы, равной Δt₁, и переменной части, определяемой текущим значением Δt_p(i).

При невысокой скорости изменения временной задержки отраженного сигнала - при плавном изменении рельефа местности (малые перепады высот рельефа) и отсутствии вертикальной скорости движения движущегося объекта, когда его скорость изменения мала, длительность Δt(i) сравнительно мала, а изменение профиля рельефа можно отследить и при небольшом значении парциального интервала времени Δt(i).

При высокой скорости изменения временной задержки отраженного сигнала - при резком изменении рельефа местности (большие перепады высот рельефа) и значительной вертикальной скорости движения движущегося объекта его скорость изменения велика и длительность Δt(i) увеличивается, поскольку изменения сигнала Δt_p(i), рассогласования можно отследить только при большой длительности парциального интервала времени Δt(i).

При определении дальности происходит адаптивное изменение парциальных интервалов времени длительности Δt(i) при накоплении отраженных сигналов в N₂ селектирующих импульсах. Причем обнаружение отраженного сигнала на втором подэтапе третьего этапа производят при пороге накопления k, соответствующем порогу накопления на первом подэтапе третьего этапа, что позволяет не снижать вероятность правильного обнаружения отраженного сигнала при заданной вероятности ложной тревоги на втором подэтапе третьего этапа (на втором подэтапе первого этапа из-за снижения порога накопления с k до k₁ происходило снижение вероятности правильного обнаружения отраженного сигнала при заданной вероятности ложной тревоги).

Таким образом, способ определения дальности до поверхности земли за счет проведения обнаружения отраженного сигнала с адаптацией длительности парциальных временных интервалов Δt(i) к скорости изменения временной задержки отраженного сигнала на втором подэтапе третьего этапа обеспечивает высокую надежность обнаружения отраженного сигнала при высокой скорости изменения временной задержки отраженного сигнала от земной поверхности, имеющей большие перепады высот рельефа, высокой вертикальной скорости движения движущегося объекта (в том числе и знакопеременной вертикальной скорости) и других возможных факторах, влияющих на длительность сигнала Δt_p(i) рассогласования.

Подтверждение результатов точного определения дальности происходит путем циклического обнаружения отраженного сигнала, обеспечивающее при точном определении дальности вероятностные характеристики (вероятности ложной тревоги и правильного обнаружения), получаемые при грубом определении дальности.

При этом надежное определение дальности до поверхности земли при высокой скорости изменения временной задержки отраженного сигнала происходит с высокой точностью определения дальности и с высокой вероятностью правильного обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги.

Обнаружение отраженного сигнала происходит в ограниченном диапазоне определяемых дальностей, что повышает помехоустойчивость обнаружения.

Характерно, что за счет операции накопления обнаружение отраженных сигналов при определении дальности может происходить при значениях отношения сигнал-шум близких к единице.

Таким образом, рассмотренный способ определения дальности до поверхности земли обладает рядом существенных преимуществ перед прототипом и аналогом.

ЛИТЕРАТУРА

1. Справочник по радиолокации / Под ред. М. Сколника. - М.: Сов. радио, 1976. - Т.1 - 456 С. (С.176-197, 309-310).

2. Патент №2436116, МПК G01S 13/08 (2006.01). Способ определения дальности до поверхности земли / Хрусталев А.А., Кольцов Ю.В. // Изобретения. Полезные модели. - 2011. - Опубл. 10.12.2011. - Бюл. №34 (прототип).

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при построении различных радиолокационных систем, предназначенных для определения дальности до поверхности земли, использующих принцип отражения радиоволн (радиодальномеры или дальномеры). Достигаемый технический результат изобретения - повышение надежности способа определения дальности до поверхности земли за счет адаптации длительности селектирующих импульсов к скорости изменения временной задержки отраженного сигнала на втором подэтапе обнаружения сигнала третьего этапа путем того, что текущее значение длительности селектирующих импульсов Δt(i) изменяют после каждого i-го обнаружения отраженных сигналов как Δt(i)≥Δt₁+2Δt_p(i-1), где Δt_p(i-1) - среднее значение сигнала рассогласования между принятым отраженным сигналом и опорным сигналом при точном слежении за время проведения предыдущего обнаружения отраженных сигналов на третьем этапе.

Способ определения дальности до поверхности земли, заключающийся в излучении зондирующего сигнала в направлении поверхности земли, поиске и обнаружении сигнала, отраженного от поверхности земли, и слежении за обнаруженным отраженным сигналом путем дискриминации принятого отраженного сигнала и опорного сигнала для выработки сигнала Δt_p, рассогласования, представляющего собой разность временных положений указанных сигналов и воздействующего на опорный сигнал, изменяя его временное положение так, чтобы сигнал рассогласования стремился к нулю Δt_p→0, измерении временного интервала, равного временной задержке между излученным сигналом и временным положением опорного сигнала, вычислении дальности D до поверхности земли по измеренному значению временной задержки, причем определение дальности до поверхности земли осуществляют в три этапа, на первом этапе в два подэтапа осуществляют поиск и обнаружение отраженных сигналов, на первом подэтапе проводят поиск и предварительное обнаружение отраженных сигналов путем накопления отраженных сигналов в N селектирующих импульсах Δt, являющихся парциальными интервалами времени одинаковой длительности, на которые разбивают интервал измеряемой дальности ΔR, и превышения в одном из селектирующих импульсов порога накопления k, причем k>1, выполняют первое грубое (предварительное) определение дальности путем измерения временной задержки между моментом излучения зондирующего сигнала и фронтом селектирующего импульса, в котором произошло обнаружение отраженного сигнала, причем поиск и обнаружение отраженного сигнала проводят одновременно по всем селектирующим импульсам, вычисляют первое грубое (предварительное) значение дальности до поверхности земли по измеренному первому грубому (предварительному) значению временной задержки, на втором подэтапе проводят окончательное обнаружение отраженных сигналов во временном интервале t_ЗАД1 постоянной длительности путем накопления отраженных сигналов в N₁ селектирующих импульсах Δt₁, являющихся парциальными интервалами времени одинаковой длительности, причем Δt₁=Δt/b, где b≥4, а длительность всех селектирующих импульсов Δt₁ равна длительности трех селектирующих импульсов Δt, с центром временного интервала t_ЗАД1, соответствующим временному положению центра селектирующего импульса Δt, в котором произошло предварительное обнаружение отраженного сигнала, и превышения в одном из селектирующих импульсов Δt₁ порога накопления k₁, причем k₁<k, выполняют второе грубое определение дальности путем измерения временной задержки между моментом излучения зондирующего сигнала и фронтом селектирующего импульса, в котором произошло обнаружение отраженного сигнала, причем поиск и обнаружение отраженного сигнала проводят одновременно по всем селектирующим импульсам N₁, вычисляют второе грубое значение дальности до поверхности земли по измеренному второму грубому (предварительному) значению временной задержки, на втором этапе выставляют опорный сигнал с задержкой, равной длительности временного интервала, соответствующего второму грубому (предварительному) определению дальности, обнуляют всю накопленную информацию по всем селектирующим импульсам, осуществляют точное слежение за обнаруженным отраженным сигналом путем дискриминации принятого отраженного сигнала и опорного сигнала для выработки сигнала Δt_p рассогласования и уменьшения его длительности до нуля, измеряют временной интервал, равный временной задержке между излученным сигналом и временным положением опорного сигнала, вычисляют точное значение дальности до поверхности земли по измеренному точному значению временной задержки, на третьем этапе проводят подтверждение результатов точного определения дальности путем обнаружения отраженного сигнала в два подэтапа без изменения задержки опорного сигнала, причем на первом подэтапе проводят поиск и предварительное обнаружение отраженных сигналов путем накопления отраженных сигналов в N селектирующих импульсах Δt, являющихся парциальными интервалами времени одинаковой длительности, и превышения в одном из селектирующих импульсов порога накопления k, выполняют первое грубое определение дальности путем измерения временной задержки между моментом излучения зондирующего сигнала и фронтом селектирующего импульса, в котором произошло обнаружение отраженного сигнала, вычисляют первое грубое значение дальности до поверхности земли по измеренному первому грубому значению временной задержки, на втором подэтапе осуществляют окончательное обнаружение отраженного сигнала, выполняют второе грубое определение дальности путем измерения временной задержки между моментом излучения зондирующего сигнала и фронтом селектирующего импульса, в котором произошло обнаружение отраженного сигнала, вычисляют второе грубое значение дальности до поверхности земли по измеренному второму грубому значению временной задержки, обнуляют всю накопленную информацию по всем селектирующим импульсам, сравнивают с пороговым значением разности результатов грубого и точного определений дальности, при непревышении разности результатов определения дальности порогового ΔD значения вычисляют точное значение дальности до поверхности земли по измеренному точному значению временной задержки, выдают точную определенную дальность, при превышении разности результатов определения дальности порогового ΔD значения прекращают точное определение дальности, выставляют опорный сигнал с задержкой, равной длительности временного интервала, соответствующего последней грубо определенной дальности, и проводят точное измерение временного интервала, которое используют для вычисления точного значения дальности до поверхности земли, проводят подтверждение результатов точного измерения временной задержки и выдают точное значение дальности, при отсутствии подтверждения результатов точного определения дальности выдают вычисленное грубое значение дальности в качестве результата определения дальности до поверхности земли, отличающийся тем, что на третьем этапе первый подэтап поиска и предварительного обнаружения отраженных сигналов путем накопления отраженных сигналов в N селектирующих импульсах Δt проводят однократно, а на втором подэтапе третьего этапа циклически осуществляют обнаружение отраженного сигнала, вычисление второго грубого значения дальности до поверхности земли и сравнение с пороговым значением разности результатов второго грубого и точного определений дальности, причем обнаружение отраженных сигналов проводят в ограниченном диапазоне определяемых дальностей, соответствующем временному интервалу t_ЗАД2 переменной длительности с использованием порога накопления k по N₂ селектирующим импульсам Δt(i) переменной длительности, текущее значение которых изменяют после каждого i-го обнаружения отраженных сигналов как Δt(i)≥Δt₁+2Δt_P(i-1), где Δt_p(i-1) - среднее значение сигнала рассогласования между принятым отраженным сигналом и опорным сигналом при точном слежении за время проведения предыдущего обнаружения отраженных сигналов на третьем этапе, а центр временного интервала t_ЗАД2 соответствует в i-м цикле обнаружения отраженных сигналов временному положению центра селектирующего импульса Δt(i), в котором произошло обнаружение отраженного сигнала U_ОТР в (i-1)-м цикле обнаружения отраженных сигналов на втором подэтапе третьего этапа, причем после каждого цикла обнаружения обнуляют всю накопленную информацию по всем селектирующим импульсам.