СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ВОЗДУШНЫХ ЦЕЛЕЙ Российский патент 2015 года по МПК G01S13/00 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано при создании средств обнаружения высокоскоростных воздушных целей.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу (прототипом) является способ обнаружения воздушных целей, реализованный в импульсно-доплеровской (ИД) РЛС, основанный на формировании и излучении зондирующего сигнала, представляющего собой когерентную пачку радиоимпульсов, приеме и предварительной обработке аддитивной смеси отраженного от воздушной цели полезного сигнала с шумом, накоплении энергии данной смеси с когерентном накоплении энергии полезного сигнала в рамках отдельных участков зоны приема между радиоимпульсами зондирующего сигнала (участков зоны приема), образованных с помощью неподвижных временных стробов, согласованных с длительностью данных радиоимпульсов, формировании решения о наличии полезного сигнала в принятой смеси, если ее накопленная энергия превышает заданный порог, формировании решения об отсутствии полезного сигнала в принятой смеси в противном случае (см., например, Оценивание дальности и скорости в радиолокационных системах. Ч. 1 / Под ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова. - М.: Радиотехника, 2004. С. 242-243).

К основным недостаткам прототипа относится снижение вероятности обнаружения воздушных целей при увеличении скорости их сближения с носителем ИД РЛС. Причиной этого является то, что увеличение скорости сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС приводит к значительному изменению временного положения отраженного от воздушной цели сигнала в течение времени когерентного накопления и распределению его энергии между отдельными неподвижными участками зоны приема, что является причиной снижения отношения сигнал/шум в каждом из них.

Техническим результатом изобретения является повышение вероятности обнаружения высокоскоростных воздушных целей за счет учета скорости их сближения с носителем ИД РЛС.

Указанный результат достигается тем, что в известном способе обнаружения воздушных целей после излучения зондирующего сигнала с использованием измеренного значения воздушной скорости носителя ИД РЛС и угловых координат линии главного луча диаграммы направленности (ДН) ИД РЛС определяют проекцию воздушной скорости носителя ИД РЛС на линию главного луча ДН ИД РЛС с использованием значения максимально возможной скорости движения воздушной цели, оценивают максимально и минимально возможные скорости сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС, определяют шаг дискретизации скорости сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС, определяют для каждого n-го канала обнаружения ожидаемую скорость сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС, где $$n=\overline{\mathrm{1,}N}$$ , N - число каналов обнаружения, определяют для каждого n-го канала обнаружения скорость перемещения временных стробов в пределах зоны приема между радиоимпульсами зондирующего сигнала, после приема аддитивной смеси отраженного от воздушной цели полезного сигнала с шумом в каждом n-м канале обнаружения перемещают разделяющие зону приема на отдельные подвижные участки временные стробы со скоростью, согласованной с ожидаемой в данном канале скоростью сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС, в каждом n-м канале обнаружения накапливают энергию принятой смеси с когерентным накоплением энергии полезного сигнала в рамках подвижных участков зоны приема, определяют из совокупности каналов обнаружения канал обнаружения с максимальной накопленной энергией принятой смеси.

Сущность изобретения заключается в применении N каналов обнаружения, в которых когерентное накопление энергии полезного сигнала осуществляется в рамках подвижных участков, образованных путем перемещения временных стробов с соответствующей каждому каналу скоростью, согласованной с ожидаемой скоростью сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС. Это позволяет избежать потери энергии сигнала отраженного от воздушной цели, характерной для одного канала обнаружения с неподвижными временными стробами.

Данный способ включает в себя следующие этапы:

1. Формирование и излучение зондирующего сигнала, представляющего собой когерентную пачку радиоимпульсов;

2. Определение проекции воздушной скорости на линию главного луча ДН ИД РЛС в соответствии с выражением:

где V_f - измеренное значение воздушной скорости носителя ИД РЛС, φ_h, φ_V - угловые координаты линии главного луча ДН ИД РЛС;

3. Оценка максимально и минимально возможных скоростей сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС в соответствии с выражениями:

где V_{t max} - максимально возможное значение скорости движения воздушной цели;

4. Определение шага дискретизации скорости сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС в соответствии с выражением:

5. Определение ожидаемой скорости сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС для n-го канала обнаружения в соответствии с выражением:

6. Определение скорости перемещения временных стробов в пределах зоны приема между радиоимпульсами зондирующего сигнала для n-го канала обнаружения в соответствии с выражением:

7. Прием и предварительная обработка аддитивной смеси:

где s(t,Õ) - полезный сигнал, отраженный от воздушной цели, n(t) - шум, q - дискретный параметр, характеризующий наличие или отсутствие полезного сигнала, отраженного от воздушной цели в смеси ξ(t), то есть

8. Усиление смеси ξ(t) в N раз.

9. Равномерное разделение мощности смеси ξ(t) между N каналами обнаружения.

10. Параллельная обработка смеси ξ(t) в N каналах обнаружения, где обработка в каждом n-м канале обнаружения представляет собой последовательное выполнение следующих операций:

- перемещение временных стробов, разбивающих зону приема между радиоимпульсами зондирующего сигнала на отдельные подвижные участки, со скоростью V_dn;

- накопление энергии принятой смеси E_n с когерентным накоплением энергии полезного сигнала в рамках подвижных участков зоны приема.

14. Выбор канала обнаружения под номером n^* с максимальной накопленной энергией E_n из совокупности каналов обнаружения в соответствии с выражением:

15. Формирование в канале обнаружения под номером n^* решения о наличии или отсутствии полезного сигнала s(t,x) в смеси ξ(t) по решающему правилу, реализованному в прототипе.

Данный способ может быть реализован, например, с помощью устройства, структурная схема которого приведена на фигуре 1, где обозначено: 1 - постоянное запоминающее устройство; 2 - устройство управления антенной; 3 - датчик воздушной скорости; 4 - вычислительное устройство; 5 - антенна; 6 - приемник; 7 - устройство управления временными стробами; 8 - передатчик; 9 - усилитель мощности; 10 - синхронизатор; 11 - делитель мощности; 12 - блок каналов обнаружения; 13 - решающее устройство.

Постоянное запоминающее устройство 1 предназначено для записи и хранения значения максимально возможной скорости движения воздушной цели V_{t max}. Устройство управления антенной 2 предназначено для своевременного подключения к антенне 5 передатчика 8 на этапе передачи и приемника 6 на этапе приема, а также для управления главным лучом ДН ИД РЛС. Датчик воздушной скорости 3 предназначен для измерения воздушной скорости носителя ИД РЛС V_f. Вычислительное устройство 4 предназначено для: определения проекции воздушной скорости носителя ИД РЛС на линию главного луча ДН ИД РЛС V_fc в соответствии с выражением (1); оценки максимально и минимально возможных скоростей сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС V_max и V_min в соответствии с выражениями (2); определения шага дискретизации скорости сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС ΔV в соответствии с выражением (3); определения ожидаемой скорости сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС для каждого n-го канала обнаружения V_n в соответствии с выражением (4); определения скорости перемещения временных стробов в пределах зоны приема между радиоимпульсами зондирующего сигнала для каждого n-го канала обнаружения V_dn в соответствии с выражением (5). Антенна 5 предназначена для преобразования поступающего с передатчика электрического сигнала s(t) в электромагнитную волну и его излучения на этапе передачи, а также для преобразования смеси из электромагнитной волны в электрический сигнал на этапе приема. Приемник 6 предназначен для приема и предварительной обработки смеси ξ(t). Устройство управления временными стробами 7 предназначено для управления временными стробами каналов обнаружения 12.1-12.N в соответствии с определенными в вычислительном устройстве 4 скоростями перемещения временных стробов V_dn в пределах зоны приема между радиоимпульсами зондирующего сигнала. Передатчик 8 предназначен для формирования зондирующего сигнала ИД РЛС s(t). Синхронизатор 10 предназначен для синхронизации работы элементов устройства. Блок каналов обнаружения 12 предназначен для параллельной обработки смеси ξ(t) в N каналах обнаружения. Каждый n-й канал обнаружения (12.1-12.N) предназначен для накопления энергии смеси ξ(t) с когерентным накоплением отраженного от воздушной цели полезного сигнала s(t,Õ) в пределах временных стробов, перемещающихся со скоростями V_dn. Решающее устройство 13 предназначено для выбора канала обнаружения под номером n^* с максимальной накопленной энергией E_n из совокупности каналов обнаружения в соответствии с выражением (8), а также для принятия решения о наличии или отсутствии полезного сигнала s(t,Õ) в смеси ξ(t) по решающему правилу, реализованному в прототипе.

Устройство работает следующим образом. Синхронизатор 10 синхронизирует работу элементов устройства. Передатчик 8 формирует зондирующий сигнал ИД РЛС s(t). Устройство управления антенной 2 на этапе передачи подключает выход передатчика 8 к входу антенны 5 и управляет главным лучом ДН ИД РЛС. Сигнал с выхода передатчика 8 поступает на вход антенны 5. Антенна 5 преобразует электрический сигнал в электромагнитную волну и излучает его в окружающую среду. Параллельно с формированием и излучением зондирующего сигнала с выхода постоянного запоминающего устройства 1 на вход вычислительного устройства 4 поступает значение максимально возможной скорости движения воздушной цели V_{t max}, с выхода датчика воздушной скорости 3 на вход вычислительного устройства поступает измеренное значение воздушной скорости носителя ИД РЛС V_f, с выхода устройства управления антенной 2 на вход вычислительного устройства 4 поступают угловые координаты линии главного луча ДН ИД РЛС [φ_h, φ_V]. Вычислительное устройство 4 определяет проекцию воздушной скорости носителя ИД РЛС на линию главного луча ДН ИД РЛС V_fc в соответствии с выражением (1), оценивает максимально и минимально возможные скорости сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС V_max и V_min в соответствии с выражениями (2), определяет шаг дискретизации скорости сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС ΔV в соответствии с выражением (3), определяет ожидаемую скорость сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС V_n для каждого n-го канала обнаружения в соответствии с выражением (4), определяет скорость перемещения временных стробов в пределах зоны приема между радиоимпульсами зондирующего сигнала для каждого n-го канала обнаружения V_dn в соответствии с выражением (5). На этапе приема смесь ξ(t) в виде электромагнитной волны поступает на вход антенны 5. Антенна 5 преобразует смесь ξ(t) из электромагнитной волны в электрический сигнал. Устройство управления антенной 2 на этапе приема подключает к выходу антенны 5 вход приемника 6. Смесь ξ(t) поступает с выхода антенны 5 на вход приемника 6. Приемник 6 принимает и производит предварительную обработку смеси ξ(t). С выхода приемника 6 смесь поступает на вход усилителя мощности 9. Усилитель мощности 9 усиливает смесь ξ(t) в N раз. С выхода усилителя мощности 9 смесь ξ(t) поступает на вход делителя мощности 11. Делитель мощности 11 разделяет мощность смеси ξ(t) равномерно между N каналами обнаружения. С N выходов делителя мощности 11 смесь ξ(t) поступает на входы N каналов обнаружения 12.1-12.N блока каналов обнаружения 12. Устройство управления временными стробами 7 управляет перемещением временных стробов каналов обнаружения 12.1-12.N в соответствии с определенными в вычислительном устройстве 4 скоростями перемещения V_dn в пределах зоны приема между радиоимпульсами зондирующего сигнала. Блок каналов обнаружения 12 осуществляет параллельную обработку смеси ξ(t) в N каналах обнаружения. При этом каждый n-й канал обнаружения (12.1-12.N) осуществляет накопление энергии принятой смеси E_n в рамках подвижных участков зоны приема, образованных перемещаемыми временными стробами, с когерентным накоплением энергии полезного сигнала. С N выходов блока каналов обнаружения 12 на вход решающего устройства 13 поступает накопленная в каждом n-м канале обнаружения энергия смеси E_n. Решающее устройство 13 выбирает канал обнаружения под номером n^* с максимальной накопленной энергией E_n из совокупности каналов обнаружения в соответствии с выражением (8), а также формирует решение о наличии или отсутствии полезного сигнала s(t,Õ) в смеси ξ(t) по решающему правилу, реализованному в прототипе.

Для определения эффективности предлагаемого способа оценивались следующие показатели:

- вероятность правильного обнаружения воздушных целей в ИД РЛС, функционирующей в соответствии с предлагаемым способом P₀.

- вероятность правильного обнаружения воздушных целей в ИД РЛС, функционирующей в соответствии с известным способом P₁ (см., например, патент на изобретение №2461019 от 10 сентября 2012 г.).

Показатели P₀, P₁ оценивались путем проведения статистических испытаний на соответствующих имитационных моделях ИД РЛС при одинаковых начальных условиях.

Для характеристики эффективности предлагаемого способа определялся прирост вероятности правильного обнаружения воздушных целей в ИД РЛС за счет применения предлагаемого способа по отношению к данному показателю с применением известного способа в процентах .

На фигуре 2 приведен график зависимости величины ΔP от скорости сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС V, где M - единица измерения скорости «мах».

Из анализа графика, приведенного на фигуре 2, видно, что применение предлагаемого способа приводит к существенному повышению вероятности правильного обнаружения воздушных целей при увеличении скорости их сближения с носителем ИД РЛС. Так, например, для V=10М прирост вероятности правильного обнаружения составляет ΔP≈20%, в то время как для V=12М, при прочих равных условиях прирост вероятности правильного обнаружения составляет ΔP≈50%.

Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений не известен способ обнаружения высокоскоростных воздушных целей с применением дополнительных каналов обнаружения, в которых временные стробы перемещаются в пределах зоны приема между радиоимпульсами зондирующего сигнала в течение времени когерентного накопления с соответствующей каждому каналу скоростью, согласованной с ожидаемой скоростью сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС.

Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что применение N каналов обнаружения, в которых когерентное накопление энергии полезного сигнала осуществляется в рамках подвижных участков, образованных путем перемещения временных стробов с соответствующей каждому каналу скоростью, согласованной с ожидаемой скоростью сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС, увеличивает вероятность правильного обнаружения высокоскоростных воздушных целей.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы элементы, широко распространенные в области электронной и электротехники.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано при создании средств обнаружения высокоскоростных воздушных целей. Достигаемый технический результат изобретения - повышение вероятности обнаружения высокоскоростных воздушных целей за счет учета скорости их сближения с носителем импульсно-доплеровской радиолокационной станции (ИД РЛС). Сущность изобретения заключается в применении N каналов обнаружения, в которых когерентное накопление энергии полезного сигнала осуществляется в рамках подвижных участков, образованных путем перемещения временных стробов с соответствующей каждому каналу скоростью, согласованной с ожидаемой скоростью сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС. Это позволяет избежать потери энергии сигнала, отраженного от воздушной цели, характерной для одного канала обнаружения с неподвижными временными стробами. 2 ил.

Способ обнаружения высокоскоростных воздушных целей, основанный на формировании и излучении зондирующего сигнала, представляющего собой когерентную пачку радиоимпульсов, приеме аддитивной смеси отраженного от воздушной цели полезного сигнала с шумом, обработке данной смеси с когерентным накоплением энергии полезного сигнала в рамках отдельных неподвижных участков, образованных временными стробами, согласованными по времени с длительностью радиоимпульсов зондрующего сигнала, формировании решения о наличии полезного сигнала в принятой смеси, если ее накопленная энергия превышает заданный порог, формировании решения об отсутствии полезного сигнала в принятой смеси в противном случае, отличающийся тем, что после излучения зондирующего сигнала с использованием измеренного значения воздушной скорости носителя импульсно доплеровской (ИД) РЛС и угловых координат линии главного луча диаграммы направленности (ДН) ИД РЛС определяют проекцию воздушной скорости носителя ИД РЛС на линию главного луча ДН ИД РЛС с использованием значения максимально возможной скорости движения воздушной цели, оценивают максимально и минимально возможные скорости сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС, определяют шаг дискретизации скорости сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС, определяют для каждого n-го канала обнаружения ожидаемую скорость сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС, где $$n=\overline{\mathrm{1,}N}$$ , N - число каналов обнаружения, определяют для каждого n-го канала обнаружения скорость перемещения временных стробов в пределах зоны приема между радиоимпульсами зондирующего сигнала, после приема аддитивной смеси отраженного от воздушной цели полезного сигнала с шумом в каждом n-м канале обнаружения перемещают разделяющие зону приема на отдельные подвижные участки временные стробы со скоростью, согласованной с ожидаемой в данном канале скоростью сближения воздушной цели с носителем ИД РЛС, в каждом n-м канале обнаружения накапливают энергию принятой смеси с когерентным накоплением энергии полезного сигнала в рамках подвижных участков зоны приема, определяют из совокупности каналов обнаружения канал обнаружения с максимальной накопленной энергией принятой смеси.