Способ формирования радиолокационного изображения земной поверхности бортовой радиолокационной станцией Российский патент 2020 года по МПК G01S15/89 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в бортовых радиолокационных станциях (БРЛС) для формирования радиолокационного изображения поверхности (РЛИ) Земли.

Известен «Способ формирования радиолокационного изображения в радиолокационной станции с синтезированной апертурой антенны» [RU 2632898, опубликовано 11.10.2017, МПК G01S 13/89]. Способ заключается в зондировании, приеме, запоминании эхо-сигналов, определении момента начала зондирования, построении двумерной матрицы путем построчного с момента начала зондирования считывания отсчетов запомненного эхо-сигнала, сжатии двумерной матрицы по дальности и азимуту. Дополнительно во время запоминания принятого эхо-сигнала в моменты начала зондирования осуществляют вставку пауз длительностью τ_и путем его амплитудной манипуляции, а во время определения момента начала зондирования осуществляют интегрирование абсолютного значения запомненного сигнала в пределах скользящего окна, представляющего собой временной строб с длительностью τ_и и изменяющимся временным смещением от нулевого значения, соответствующего началу запоминания эхо-сигнала, до значения, равного периоду зондирования. Определяют временное положение минимума полученного интеграла, который соответствует моменту начала зондирования.

Известен «Способ разрешения целей по дальности радиолокационной станцией и импульсная радиолокационная станция со сжатием импульсов и восстановлением сигналов» [RU 2296345, опубликовано 27.03.2007, МПК G01S 13/08]. Способ заключается в том, что передающая антенна станции излучает сложные зондирующие сигналы с внутриимпульсной частотной модуляцией или фазовой манипуляцией, генерируемые передатчиком. Приемная антенна станции принимает отраженные сигналы, в приемном тракте на каждом периоде повторения импульсов производится фильтрация принятых сигналов в согласованном фильтре, согласованном с зондирующим сигналом, в обнаружителе принимается решение об обнаружении сигналов и в вычислителе производится определение дальности до цели. До обнаружения сигнала на каждом периоде повторения импульсов дополнительно к согласованной фильтрации после сжатия импульса производится восстановление сигнала восстанавливающим фильтром.

Наиболее близким по технической сущности является способ формирования радиолокационного изображения поверхности Земли при картографировании в режиме синтезирования апертуры антенны - [Многофункциональные радиолокационные системы под ред. Б.Г. Татарского. М.: ООО «Дрофа», 2007 г., стр. 174-190, рис. 7.9, 7.10]. Способ формирования радиолокационного изображения поверхности Земли бортовой радиолокационной станцией, заключается в том, что излучают зондирующий импульсный сигнал в направлении земной поверхности, принимают отраженный от земной поверхности сигнал, стробируют по дальности, когерентно накапливают принятый сигнал в комплексном виде. Далее осуществляют сжатие сигнала по дальности. В данном примере алгоритм сжатия реализован обработкой накопленного сигнала согласованным фильтром [Многофункциональные радиолокационные системы под ред. Б.Г. Татарского. М.: ООО «Дрофа», 2007 г., стр. 188, рис. 7.10]. Затем осуществляют весовую обработку сжатого сигнала, определяют и компенсируют фазовый набег сигнала. Затем осуществляют спектральный анализ сигнала, в данном случае осуществляют быстрое преобразование Фурье, позволяющее сформировать элементы разрешения по азимуту. А затем формируют амплитуды радиолокационного изображения в виде двумерного массива из элементов разрешения по азимуту и по дальности, вычислением модуля их комплексных амплитуд.

Недостатком указанных способов является расширение изображения объектов с большой эффективной площадью рассеяния (ЭПР) по дальности, из-за высокого уровня боковых лепестков сжатого отраженного сигнала по дальности. Такое расширение не позволяет оценить размеры объекта по РЛИ, а также маскирует находящиеся рядом объекты с малой ЭПР, уровень отраженного сигнала которых сопоставим или меньше уровня боковых лепестков сигнала объекта с большой ЭПР.

Технической проблемой решаемой предлагаемым изобретением является создание способа формирования радиолокационного изображения земной поверхности БРЛС с высокой вероятностью обнаружения объектов на РЛИ.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение вероятности обнаружения объектов на РЛИ за счет подавления боковых лепестков сжатого радиолокационного сигнала.

Сущность изобретения заключается в том, что излучают фазомодулированные импульсные сигналы в направлении земной поверхности, принимают отраженные импульсные сигналы, преобразуют принятые импульсные сигналы в комплексные сигналы, стробируют по дальности принятые импульсные комплексные сигналы, когерентно накапливают принятые импульсные комплексные сигналы. Затем осуществляют сжатие накопленных сигналов, по сжатым сигналам определяют и компенсируют фазовый набег за период повторения сигнала, проводят спектральный анализ скомпенсированного сигнала в каждом стробе дальности, формируют амплитуды радиолокационного изображения.

Новым в заявляемом способе является то, что после завершения накопления формируют комплексные спектры каждого накопленного импульсного комплексного сигнала и сигнала, модулирующего излучаемый сигнал, быстрым преобразованием Фурье, определяют модуль комплексного спектра сигнала, модулирующего излучаемый сигнал, нормируют комплексный спектр каждого накопленного импульсного комплексного сигнала на квадрат модуля комплексного спектра сигнала, модулирующего излучаемый сигнал, по формуле

где комплексный спектр принятого импульсного комплексного сигнала, комплексный спектр модулирующего сигнала, - нормированный спектр,

формируют нормированные комплексные сигналы преобразованием каждого нормированного спектра во временную область обратным быстрым преобразованием Фурье. А затем осуществляют сжатие нормированного сигнала и упомянутую выше обработку - по сжатым сигналам определяют и компенсируют фазовый набег за период повторения сигнала, проводят спектральный анализ скомпенсированного сигнала в каждом стробе дальности, формируют амплитуды радиолокационного изображения.

На Фиг. 1 представлена функциональная схема радиолокационной станции, осуществляющей способ.

На Фиг. 2 приведена блок-схема алгоритма обработки накопленного радиолокационного сигнала.

На Фиг. 3 приведены радиолокационные изображения одного и того же участка местности, полученных по способу прототипа и по заявляемому способу.

Способ формирования радиолокационного изображения земной поверхности бортовой радиолокационной станцией может быть реализован, например, в бортовой радиолокационной станции, состоящей из антенны (1), передатчика (2), приемника (3) с квадратурным демодулятором, процессора управления (4), процессора сигналов (5), задающего генератора (6) с квадратурным демодулятором, модулятора (7), индикатора (8). Первый выход процессора управления (4) соединен с первым входом антенны (1), выход передатчика (2) соединен со вторым входом антенны (1). Выход антенны (1) соединен с входом приемника (3). Первый выход приемника (3) подключен к первому входу процессора сигналов (5), второй выход приемника (3) подключен ко второму входу процессора сигналов (5). Выход процессора сигналов (5) соединен с входом индикатора (8). Второй выход процессора управления (4) соединен с третьим входом процессора сигналов (5). Третий выход процессора управления (4) соединен с входом задающего генератора (6). Первый выход задающего генератора (6) соединен с входом модулятора (7), второй выход задающего генератора (6) соединен с четвертым входом процессора сигналов (5), третий выход задающего генератора (6) соединен с пятым входом процессора сигналов (5), выход модулятора (7) подключен к входу передатчика (2).

Способ формирования радиолокационного изображения земной поверхности бортовой радиолокационной станцией осуществляется следующим образом.

Процессор управления (4) задает параметры управления антенне (1) для просмотра соответствующей зоны обзора. Антенна (1) формирует диаграмму направленности (ДНА) и направляет ее на просматриваемый участок земной поверхности. Так же процессор управления (4) задает тип модулирующего сигнала задающему генератору (6), например код Баркера-13. С первого выхода задающего генератора (6) модулирующий сигнал поступает в модулятор (7) в котором осуществляется фазовая модуляция излучаемого сигнала. Далее модулированный сигнал усиливается в передатчике (2), и в процессе обзора антенна (1) излучает, сформированные передатчиком (2) импульсные радиолокационные сигналы.

Отраженный от земной поверхности импульсный радиолокационный сигнал принимается антенной (1) и с выхода антенны (1) сигнал поступает на вход приемника (3), где преобразуют принятый импульсный сигнал в комплексный сигнал квадратурной демодуляцией. Далее реальную (синфазную) и мнимую (квадратурную) составляющие комплексного сигнала стробируют по дальности и осуществляют их аналого-цифровое преобразование. Далее квадратуры (k - номер строба дальности, n-номер импульсного сигнала) комплексного сигнала в цифровом виде поступают на первый и второй входы процессора сигналов (5). Затем когерентно накапливают сигнал в процессоре сигналов (5). Процесс излучения/приема радиолокационного сигнала осуществляется в ходе обзора лучом ДНА земной поверхности в заданном секторе обзора. По окончании обзора завершается когерентное накопление сигнала в процессоре сигналов (5).

Далее осуществляют сигнальную обработку накопленного комплексного сигнала В процессоре сигналов (5) накопленный комплексный сигнал преобразуют в частотную область. Для этого каждый n-ый накопленный импульсный сигнал подвергают быстрому преобразованию Фурье (БПФ) по k стробам дальности и таким образом формируют его спектр.

Модулирующий сигнал так же в комплексном цифровом виде (в виде двух квадратур Re_МОД(t), Im_МОД(t)) поступает на четвертый и пятый входы процессора сигналов (5) со второго и третьего выходов задающего генератора (6). В процессоре сигналов (5) его подвергают быстрому преобразованию Фурье по к точкам:

Далее в процессоре сигналов (5) осуществляют нормировку спектра каждого n-го накопленного импульсного сигнала на квадрат модуля спектра модулирующего сигнала:

Затем полученный нормированный сигнал преобразуют из частотной области во временную область обратным быстрым преобразованием Фурье (ОБПФ).

Далее осуществляют сжатие полученного отнормированного сигнала например корреляционной обработкой или согласованной фильтрацией, описанными в источнике [Многофункциональные радиолокационные системы / под ред. Б.Г. Татарского, М.: «Дрофа», 2007 г., стр. 41-68].

Далее определяют фазовый набег за период повторения сжатого сигнала и осуществляют компенсацию рассчитанного фазового набега. Компенсация устраняет набег вызванный нестабильностью приемного тракта, доплеровским сдвигом частоты и фазовыми траекторными нестабильностями носителя БРЛС на интервале когерентного накопления принятого сигнала и формируют скомпенсированный сигнал

Фазовый набег определяют, например, способом автофокусировки, описанным в источнике [Многофункциональные радиолокационные системы под ред. Б.Г. Татарского. М.: ООО «Дрофа», 2007 г., стр. 213-217].

Компенсацию фазового набега осуществляют, например комплексной сверткой сигнала и гетеродинирующей функции.

где j - мнимая единица.

Затем проводят спектральный анализ скомпенсированного сигнала например, посредством быстрого преобразования Фурье (БПФ) в каждом стробе дальности по количеству импульсов. Такое преобразование обеспечивает разрешение в одном стробе дальности по азимуту.

где m - количество фильтров БПФ, соответствующее количеству элементов разрешения по азимуту.

В зависимости от способа накопления сигнала и требуемого разрешения по азимуту эта величина колеблется, но, как правило, количество излучаемых/накапливаемых импульсов и формируемых азимутальных позиций совпадает и составляет от нескольких десятков до нескольких тысяч.

Осуществив БПФ над сигналом в каждом стробе дальности формируется массив комплексного сигнала размерностью m*k в координатах азимут-дальность.

Для отображения радиолокационного изображения рассчитывают амплитуды радиолокационного изображения как модули комплексного сигнала

Далее сформированный массив амплитуд выводится на индикатор в виде уровней яркости РЛИ.

На фигуре 3 приведены РЛИ одного и того же участка местности, полученных, по способу прототипа и по заявляемому способу. Сигналы, отраженные от целей с большой эффективной площадью рассеяния (плотина на реке) имеют большую амплитуду и как следствие высокий уровень боковых лепестков, которые маскируют слабые сигналы (уровень принятого сигнала отраженного от воды практически нулевой). На РЛИ по способу прототипа вокруг плотины присутствует шлейф из боковых лепестков сигнала, ухудшающих качество РЛИ и маскирующих возможные цели с малой ЭПР (например, маломерные суда). На РЛИ, полученном по заявляемому способу, размножение целей и расширение объектов отсутствуют, что позволяет выделять на РЛИ объекты, как с большим уровнем, так и с малым уровнем отраженного сигнала.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в бортовых радиолокационных станциях для формирования радиолокационного изображения поверхности (РЛИ) Земли. Способ основан на излучении, приеме и когерентном накоплении фазомодулированных импульсных сигналов, их преобразовании в комплексные сигналы. Далее нормируют комплексный спектр каждого накопленного импульсного комплексного сигнала на квадрат модуля комплексного спектра сигнала, модулирующего излучаемый сигнал, по формуле

где - комплексный спектр накопленного импульсного комплексного сигнала, - комплексный спектр модулирующего сигнала, - нормированный спектр, формируют нормированные комплексные сигналы преобразованием каждого нормированного спектра во временную область обратным быстрым преобразованием Фурье, осуществляют их сжатие, затем по сжатым сигналам определяют и компенсируют фазовый набег за период повторения сигнала, проводят спектральный анализ скомпенсированного сигнала в каждом стробе дальности, формируют амплитуды радиолокационного изображения. При осуществлении заявляемого способа достигается технический результат, заключающийся в повышении вероятности обнаружения объектов на РЛИ за счет подавления боковых лепестков сжатого радиолокационного сигнала. 3 ил.

Способ формирования радиолокационного изображения земной поверхности бортовой радиолокационной станцией, заключающийся в том, что излучают фазомодулированные импульсные сигналы в направлении земной поверхности, принимают отраженные импульсные сигналы, преобразуют принятые импульсные сигналы в комплексные сигналы, стробируют по дальности принятые импульсные комплексные сигналы, когерентно накапливают принятые импульсные комплексные сигналы, формируют комплексные спектры каждого накопленного импульсного комплексного сигнала и сигнала, модулирующего излучаемый сигнал, быстрым преобразованием Фурье, определяют модуль комплексного спектра сигнала, модулирующего излучаемый сигнал, нормируют комплексный спектр каждого накопленного импульсного комплексного сигнала на квадрат модуля комплексного спектра сигнала, модулирующего излучаемый сигнал, по формуле

где - комплексный спектр накопленного импульсного комплексного сигнала, - комплексный спектр модулирующего сигнала, - нормированный спектр, формируют нормированные комплексные сигналы преобразованием каждого нормированного спектра во временную область обратным быстрым преобразованием Фурье, осуществляют их сжатие, затем по сжатым сигналам определяют и компенсируют фазовый набег за период повторения сигнала, проводят спектральный анализ скомпенсированного сигнала в каждом стробе дальности, формируют амплитуды радиолокационного изображения.