Способ цифровой обработки сигналов в радиолокационных станциях с синтезированной апертурой антенны непрерывного излучения и устройство для его осуществления Российский патент 2017 года по МПК G01S13/90 

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться в радиотехнических системах непрерывного излучения, установленных на подвижных объектах, для получения радиолокационного изображения (РЛИ) в процессе дистанционного зондирования земной (водной) поверхности.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ цифровой обработки сигналов (прототип), основанный на реализации алгоритма цифрового синтезирования апертуры антенны в радиолокационной станции (РЛС) непрерывного излучения сигнала с линейной частотной модуляцией [1. Антипов В.Н., Колтышев Е.Е., Мухин В.В., Печенников А.В., Фролов А.Ю., Янковский В.Т. Радиолокационная система беспилотного летательного аппарата. Радиотехника, 2006. №7. С. 14-20].

Способ включает: зондирование земной (водной) поверхности, прием, демодуляцию, оцифровку сигналов, с последующим сжатием сигналов в цифровом процессоре по дальности и азимуту.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является устройство (прототип), содержащее последовательно соединенные приемное устройство, умножитель, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой процессор, а также передающее устройство, выход которого соединен со вторым входом умножителя.

Недостатком способа и устройства цифровой обработки сигналов в РЛС с синтезированной апертурой антенны непрерывного излучения является низкий уровень яркости формируемых РЛИ в направлении дальней границы зоны обзора, снижающий их информативность и усложняющий дешифрирование [2. Школьный Л.А. РЛС воздушной разведки, дешифрирование радиолокационных изображений. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2008. С. 237]. Другим недостатком является малая дальность действия РЛС, обусловленная высоким динамическим диапазоном (ДД) принимаемых сигналов по сравнению с ДД АЦП.

Техническим результатом данного изобретения является выравнивание среднего уровня яркости РЛИ в направлении дальней границы зоны обзора за счет выравнивания амплитудно-частотного спектра сигнала перед его оцифровкой. Выравнивание амплитудно-частотного спектра также приводит к увеличению дальности действия РЛС за счет того, что после выравнивания уменьшается ДД амплитуды сигнала на входе АЦП, что, в свою очередь, приводит к снижению минимального уровня сигнала, который может быть оцифрован с помощью АЦП.

Технический результат достигается тем, что в известном способе формирования РЛИ, состоящем в зондировании земной (водной) поверхности, приеме, демодуляции, оцифровке и сжатии сигналов по дальности и азимуту дополнительно перед оцифровкой сигнала амплитуды частотных составляющих амплитудно-частотного спектра сигнала корректируют обратно пропорционально закону изменения амплитуд частотных составляющих от дальности.

Технический результат достигается тем, что в известном устройстве формирования РЛИ, содержащем последовательно соединенные приемное устройство и умножитель, последовательно соединенные АЦП и цифровой процессор, а также передающее устройство, выход которого соединен со вторым входом умножителя, дополнительно введена частотная корректирующая цепь, вход которой соединен с выходом умножителя, а выход - со входом аналого-цифрового преобразователя, при этом амплитудно-частотная характеристика частотной корректирующей цепи имеет обратно пропорциональную зависимость относительно закона изменения амплитуд частотных составляющих от дальности.

Сущность способа заключается в следующем. В РЛС с непрерывным излучением с линейной частотной модуляцией реализуется частотный способ измерения дальности до цели [3. Ширман Я.Д. Теоретические основы радиолокации. М.: «Сов. радио», 1970. С. 365]. При этом дальность действия ограничивается динамическим диапазоном АЦП, который не должен быть меньше ДД амплитуды сигнала на его входе. Верхняя граница ДД соответствует суммарной амплитуде сигнала, представляющего собой сумму сигналов, отраженных от всех элементов разрешения в пределах зоны обзора, а нижняя - амплитуде сигнала, отраженного от отдельного элемента разрешения, расположенного на ее дальней границе. Известно, что в РЛС с непрерывным излучением после демодуляции принятого сигнала на выходе умножителя формируется сигнал, частота биений которого прямо пропорциональна дальности до объекта локации, а амплитуда - обратно пропорциональна ее квадрату [4. Caner Özdemir. Inverse Synthetic Aperture Radar Imaging with MATLAB Algorithms. John Wiley&Sons, 2012. C. 42, 54]. Осуществление частотной коррекции амплитуд частотных составляющих амплитудно-частотного спектра сигнала на выходе умножителя обратно пропорционально закону изменения амплитуд сигналов от дальности обеспечивает равномерность амплитудно-частотного спектра сигнала на входе АЦП, что приводит к выравниванию яркости РЛИ в пределах зоны обзора и уменьшению амплитуды сигналов, отраженных от близкорасположенных элементов разрешения. В результате снижается верхняя граница ДД принимаемых сигналов вследствие уменьшения амплитуды суммарного сигнала, отраженного от всех элементов разрешения в пределах зоны обзора, обеспечивая тем самым возможность оцифровки более слабых сигналов, приходящих с больших дальностей. Значение верхней частоты амплитудно-частотной характеристики частотной корректирующей цепи определяется выражением f_max=2R_maxΔf/(Т_пс), где R_max - максимальная дальность действия радиолокатора, Δf - ширина спектра зондирующего сигнала, Т_п - период частотной модуляции и с - скорость света.

Коррекция амплитуды частотных составляющих амплитудно-частотного спектра перед оцифровкой сигнала по закону, обратно пропорциональному закону изменения амплитуд частотных составляющих от дальности, может быть выполнена, например, с применением активных или пассивных фильтров [5. Зааль Р. Справочник по расчету фильтров. М.: «Радио и связь», 1983. С. 27, 46].

На фигуре представлена структурная схема устройства для осуществления способа цифровой обработки сигналов в радиолокационных станциях с синтезированной апертурой антенны непрерывного излучения.

Устройство состоит из приемного устройства 1, умножителя 2, частотной корректирующей цепи 3, аналого-цифрового преобразователя 4, цифрового процессора 5, передающего устройства 6.

Последовательно соединенные приемное устройство 1, умножитель 2, частотная корректирующая цепь 3, аналого-цифровой преобразователь 4 подключены к цифровому процессору 5, а выход передающего устройства 6 соединен со вторым входом умножителя 2.

Частотная корректирующая цепь 3 предназначена для частотной коррекции амплитуд принятых сигналов на выходе умножителя и может быть выполнена, например, на пассивных или активных фильтрах [5. Зааль Р. Справочник по расчету фильтров. М.: «Радио и связь», 1983. С. 27, 46].

Работа устройства, реализующего способ цифровой обработки сигналов в радиолокационных станциях с синтезированной апертурой антенны, не отличается от работы устройства способа-прототипа за исключением того, что перед оцифровкой сигналов в АЦП производится дополнительная частотная коррекция сигналов частотной корректирующей цепью 3, которая выравнивает амплитуды частотных составляющих амплитудно-частотного спектра сигнала на выходе умножителя обратно пропорционально закону изменения амплитуд сигналов от дальности. В результате обеспечивается равномерность амплитудно-частотного спектра сигнала на входе АЦП. Это приводит к выравниванию яркости РЛИ в пределах зоны обзора и уменьшению амплитуды сигналов, отраженных от близкорасположенных элементов разрешения. Следствием этого является снижение верхней границы ДД принимаемых сигналов из-за уменьшения амплитуды суммарного сигнала, отраженного от всех элементов разрешения в пределах зоны обзора. Тем самым обеспечивается возможность оцифровки более слабых сигналов, приходящих с бóльших дальностей.

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться в радиотехнических системах непрерывного излучения, установленных на подвижных объектах, для получения радиолокационного изображения в процессе дистанционного зондирования земной (водной) поверхности. Достигаемый технический результат - выравнивание среднего уровня яркости радиолокационного изображения в направлении дальней границы зоны обзора, увеличение дальности действия радиолокационной станции. Указанный результат достигается за счет выравнивания амплитудно-частотного спектра сигнала перед его оцифровкой, при этом после выравнивания уменьшается динамический диапазон амплитуды сигнала на входе аналого-цифрового преобразователя, что, в свою очередь, приводит к снижению минимального уровня сигнала, который может быть оцифрован с его помощью. Для практической реализации способа цифровой обработки сигналов в радиолокационных станциях с синтезированной апертурой антенны непрерывного излучения в устройство, содержащее последовательно соединенные приемное устройство и умножитель, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и цифровой процессор, а также передающее устройство, выход которого соединен со вторым входом умножителя, дополнительно введена частотная корректирующая цепь, вход которой соединен с выходом умножителя, а выход - со входом аналого-цифрового преобразователя, при этом амплитудно-частотная характеристика частотной корректирующей цепи имеет обратно пропорциональную зависимость относительно закона изменения амплитуд частотных составляющих от дальности. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ цифровой обработки сигналов в радиолокационных станциях с синтезированной апертурой антенны непрерывного излучения, заключающийся в зондировании земной (водной) поверхности, приеме, демодуляции, оцифровке и сжатии сигналов по дальности и азимуту, отличающийся тем, что дополнительно перед оцифровкой сигнала амплитуды частотных составляющих амплитудно-частотного спектра сигнала корректируют обратно пропорционально закону изменения амплитуд частотных составляющих от дальности.

2. Устройство цифровой обработки сигналов в радиолокационных станциях с синтезированной апертурой антенны непрерывного излучения, содержащее последовательно соединенные приемное устройство и умножитель, последовательно соединенные аналого-цифровой преобразователь и цифровой процессор, а также передающее устройство, выход которого соединен со вторым входом умножителя, отличающееся тем, что дополнительно введена частотная корректирующая цепь, вход которой соединен с выходом умножителя, а выход - со входом аналого-цифрового преобразователя, при этом амплитудно-частотная характеристика частотной корректирующей цепи имеет обратно пропорциональную зависимость относительно закона изменения амплитуд частотных составляющих от дальности.