СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДВУМЕРНОГО РАДИОЛОКАЦИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТА ПРИ МНОГОЧАСТОТНОМ ИМПУЛЬСНОМ ЗОНДИРОВАНИИ И ИНВЕРСНОМ СИНТЕЗЕ АПЕРТУРЫ С ОПРЕДЕЛЕНИЕМ ТРЕТЬЕЙ КООРДИНАТЫ ЭЛЕМЕНТОВ ФОРМИРУЕМОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Российский патент 2020 года по МПК G01S13/89 

Изобретение относится к радиолокационной измерительной технике и может быть использовано, в частности, в радиолокационных измерительных комплексах (стендах) с измерительными установками многочастотного импульсного зондирования, осуществляющих построение двумерных радиолокационных изображений (РЛИ) исследуемых объектов с помощью инверсного синтеза апертуры антенны.

Методы получения двумерного инверсно синтезируемого РЛИ объекта основаны на цифровой обработке комплексной огибающей отраженного от него сигнала, измеренного в широкой полосе частот зондирующих импульсов радиолокационной системы (РЛС) при различных ракурсах наблюдения вращающегося объекта.

Известен [Патент RU 2422851 С1 «Способ получения двумерного радиолокационного изображения объекта при многочастотном импульсном зондировании» МПК: G01S 13/89 (2006.01), 27.06.2011] способ получения двумерного РЛИ объекта в большом диапазоне изменения эффективных площадей рассеивания (ЭПР) локальных рассеивающих центров (РЦ) при многочастотном импульсном зондировании, включающий излучение импульсов с изменением несущей частоты ƒ от импульса к импульсу с шагом Δƒ в полосе частот ΔF, измерение частоты ƒ(t_nm) зондирующих импульсов в моменты времени t_nm, где n - номер шага перестройки частоты, m - номер повторного цикла перестройки, измерение в земной системе отсчета в моменты времени t_nm координат центра антенны радиолокационной системы (РЛС) и координат выбранного центра синтезирования на объекте, измерение относительно земной системы отсчета угла наблюдения ψ(t_nm) связанной с объектом системы отсчета с началом в центре синтезирования, прием отраженных сигналов, измерение комплексных огибающих S(t_nm) отраженных сигналов, корректировку фазы измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов к расстоянию от центра антенны РЛС до точки синтезирования, запоминание измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов в течение времени синтезирования в угловом секторе, образование двумерной матрицы комплексных огибающих в координатах пространственных частот и преобразование ее с помощью быстрого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу синтезированных откликов, определение величины порога по уровню первых боковых лепестков наиболее интенсивного отклика, сравнение величин откликов с порогом для выделения превышающих порог элементов матрицы, определение радиолокационного изображения объектов в виде совокупности выделенных элементов матрицы. Определение размера половины сектора углов наблюдения Δψ, исходя из соотношения где ƒ₀ - средняя частота в полосе перестройки, запоминание измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов в секторе углов наблюдения ±Δψ, занесение в элементы с номерами (n₁, m₁) двумерной матрицы комплексных огибающих значений, полученных для номера n₂ шага перестройки частоты и номера m₂ повторного цикла перестройки, где

с - скорость света,

n₁=1, …, N₁, m₁=1, …, М₁,

N₁=L_z (maxƒ_z - minƒ_z), M₁=L_x (max f_x - min ƒ_x),

L_z, L_x - размеры области синтезирования радиолокационного изображения по продольной z и поперечной х координатам,

Данный способ синтезирования двумерных РЛИ объектов обеспечивает повышение разрешающей способности РЛИ и точности оценок ЭПР РЦ при расширении сектора углов наблюдения объекта соответственно увеличению полосы перестройки частоты зондирования, что достигается за счет формирования матрицы комплексных огибающих в координатах пространственных частот. А именно: в силу билинейной связи значений пространственных частот и декартовых координат РЦ в записи фазы комплексных огибающих, линейный оператор Фурье преобразует отраженный сигнал из области пространственных частот в область декартовых координат без искажений при увеличении полосы частот и сектора углов локации.

Данный способ взят в качестве прототипа.

Известен также способ [Патент RU 2628997 С1 «Способ получения двумерного радиолокационного изображения объекта при многочастотном импульсном зондировании и инверсном синтезе апертуры с итерационным уточнением расстояния от эквивалентного фазового центра антенны до точки синтезирования» МПК: G01S 13/89 (2006.01), 24.08.2017], отличающийся от описанного выше способа в части усовершенствования операции корректировки фазы измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов к расстоянию от центра антенны РЛС до точки синтезирования на объекте. Способ обеспечивает повышение разрешающей способности РЛИ путем итерационного улучшения фокусировки и уменьшения энтропии РЛИ вплоть до достижения потенциальной разрешающей способности для имеющейся полосы перестройки частоты. Указанный результат достигается за счет итерационного, по критерию минимума энтропии РЛИ, уточнения расстояния от эквивалентного фазового центра антенны до точки синтезирования, которое на практике, в силу имеющихся фазовых задержек сигнала в волноводных устройствах, устройствах формирования, преобразования и фильтрации сигналов, не может быть точно определено только геометрическими измерениями.

Существенным недостатком описанных способов является неполное использование всей измеренной сигнальной информации, а также введенное условие на возможность увеличения сектора углов синтезирования только при расширении полосы частот зондирования, что ограничивает достижение потенциальной разрешающей способности двумерных РЛИ.

Факт неполного использования имеющейся информации поясняет рисунок (фиг. 1) из [Радиолокационные характеристики объектов. Методы исследования. Монография / Под ред. С.М. Нестерова - М.: Радиотехника, 2015. С. 210]. На этом рисунке показаны половинки (учитывая симметрию относительно середины сектора углов наблюдения) областей определения сигнала. Область в виде кругового сектора ограничивает область определения фактически измеренной информации в полярных координатах частота-угол. Вписанный в круговой сектор прямоугольник показывает область определения сигнала в прямоугольных координатах пространственных частот, используемую в прототипе. Серым цветом на рисунке закрашены области измеренных данных, не используемые в прототипе при формировании РЛИ.

Для использования при формировании РЛИ всего объема измеренных сигнальных данных и обеспечения возможности улучшения разрешения изображений объекта при увеличении сектора углов его наблюдения без расширения полосы частот зондирования необходимо расширить область определения пространственных частот до описанного вокруг кругового сектора прямоугольника и ввести проверку принадлежности взятых в новой области отсчетов сигнала физической области определения измеренных данных согласно соотношению [Там же. С. 211].

Соответственно требуется уточнить пределы изменения значений пространственных частот:

Существенным ограничением использования способа-прототипа на практике является неизвестная третья координата (относительная высота) элементов формируемого РЛИ объекта, что не позволяет устанавливать однозначное соответствие выявляемых на изображениях РЦ элементам конструкции объекта.

Предлагается способ, позволяющий устранить указанные недостатки.

Способ решает задачу получения двумерного РЛИ объекта с достижимой для имеющихся полосы частот и сектора углов наблюдения разрешающей способностью и определением третьей координаты элементов изображения.

Для решения указанной задачи предлагается способ получения двумерного радиолокационного изображения объекта при многочастотном импульсном зондировании и инверсном синтезе апертуры с определением третьей координаты элементов формируемого изображения, включающий излучение импульсов с изменением несущей частоты ƒ от импульса к импульсу с шагом Δƒ в полосе частот ΔF, измерение частоты ƒ(t_nm) зондирующих импульсов в моменты времени t_nm, где n - номер шага перестройки частоты, m - номер повторного цикла перестройки, измерение в земной системе отсчета в моменты времени t_nm координат центра антенны РЛС и координат выбранного центра синтезирования на объекте, измерение относительно земной системы отсчета угла наблюдения ψ(t_nm) связанной с объектом системы отсчета с началом в центре синтезирования, прием отраженных сигналов, измерение комплексных огибающих S(t_nm) отраженных сигналов, корректировку фазы измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов к расстоянию от центра антенны РЛС до точки синтезирования, запоминание измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов в течение времени синтезирования в угловом секторе ±Δψ, образование двумерной матрицы комплексных огибающих в координатах пространственных частот и ее преобразование с помощью быстрого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу синтезированных откликов, определение величины порога по уровню первых боковых лепестков наиболее интенсивного отклика, сравнение величин откликов с порогом для выделения превышающих порог элементов матрицы, определение радиолокационного изображения объектов в виде совокупности выделенных элементов матрицы.

Согласно изобретению, в элементы матрицы комплексных огибающих с номерами (n₁, m₁) заносят значения комплексных огибающих для шага перестройки частоты с номером и повторного цикла перестройки частоты с номером при выполнении условия где

с - скорость света, n₁=1, …, N₁, m₁=1, …, М₁,

N₁=L_z (maxƒ_z - minƒ_z),

М₁=L_x (maxƒ_x - minƒ_x),

L_z, L_x - задаваемые размеры координатной области,

Отраженный сигнал принимают на две разнесенные по высоте антенны О и А, первая из которых наблюдает объект под углом места γ_O, а вторая под углом места γ_А; соответственно формируют два двумерных РЛИ с элементами где - увеличенные за счет добавления нулевых сигнальных отсчетов количественные размеры каждого РЛИ; оценивают третью координату элементов полученных изображений по соотношению

где ϕ^A и ϕ^O - значения набегов фаз в элементах РЛИ,

- средняя частота полосы перестройки.

Технический результат изобретения, заключающийся в улучшении разрешающей способности двумерного РЛИ, а также в получении оценки третьей координаты его элементов, достигается за счет использования при формировании РЛИ всего объема измеренных данных, а также учета различий набегов фаз в элементах двух двумерных РЛИ объектов при приеме отраженного сигнала на две разнесенные по высоте антенны.

Из приведенной совокупности существенных признаков предлагаемого способа следует, что общими с прототипом являются операции излучения зондирующих импульсов с изменением несущей частоты от импульса к импульсу в полосе частот ΔF, измерения частоты зондирующих импульсов, измерения в земной системе отсчета координат центра антенны радиолокационной станции и координат выбранного центра синтезирования на объекте, измерения относительно земной системы отсчета угла наблюдения ψ связанной с объектом системы отсчета с началом в центре синтезирования, приема отраженных сигналов, измерения комплексных огибающих отраженных сигналов, корректировки фазы измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов к расстоянию от центра антенны РЛС до точки синтезирования, запоминания измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов в течение времени синтезирования в угловом секторе, образования двумерной матрицы комплексных огибающих и преобразования двумерной матрицы комплексных огибающих с помощью быстрого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу синтезированных откликов, определения величины порога по уровню первых боковых лепестков наиболее интенсивного отклика, сравнения величин откликов с порогом для выделения превышающих порог элементов матрицы, определения радиолокационного изображения в виде совокупности выделенных элементов матрицы и вычисления для них оценок координат и ЭПР.

Операция формирования матрицы комплексных огибающих в координатах пространственных частот является общей с прототипом только формально, так как определены новые размеры области определения пространственных частот и введена проверка выполнения условия принадлежности отсчетов пространственных частот области определения измеренного сигнала.

Операция определения размера Δψ половины сектора углов наблюдения в соответствии с имеющейся полосой частот исключена как ограничивающая использование всего объема измеренной информации.

Введены новые операции:

прием отраженного сигнала на две разнесенные по высоте антенны и формирование двух двумерных РЛИ;

оценка третьей координаты (относительной высоты) элементов полученных изображений на основе известных значений углов места наблюдения объекта обеими приемными антеннами и полученных разниц набегов фаз элементов двух сформированных двумерных РЛИ объекта.

Новые и уточненные операции изобретения позволяют улучшить по сравнению с прототипом разрешающую способность получаемых двумерных РЛИ объектов и получить оценку третьей координаты их элементов.

Описание предлагаемого способа заключается в следующем.

Известно [Радиолокационные характеристики объектов. Методы исследования. Монография / Под ред. С.М. Нестерова - М.: Радиотехника, 2015. С. 210], что оператор синтезирования РЛИ после свертки взятых в координатах пространственных частот комплексных огибающих с фокусирующей опорной функцией, с учетом условий дальней зоны локации и физической области определения сигнала в виде кругового сектора на плоскости пространственных координат (фиг. 1), представляется в виде

где

Δƒ_z=maxƒ_z - minƒ_z, Δƒ_x=maxƒ_x - minƒ_x.

Дискретная форма оператора (2) с учетом интерполяции сигнала из полярных в прямоугольные координаты имеет вид

где

L_z, L_x - задаваемые размеры координатной области.

Размеры области определения пространственных частот (фиг. 1):

Потенциально лучшее значение разрешения двумерного РЛИ по поперечной координате (по «азимуту») получим при синтезировании сигнала в секторе углов размером в половину круга и более. Приближенная оценка этого разрешения равна Точная оценка разрешения слабым образом зависит от ширины полосы частот: при перестройке частоты от 0 до 200% изменяется от 0,2 λ₀ до 0,18λ₀, где [Там же. С. 213].

Разрешение двумерных РЛИ по дальности при интегрировании по полукругу в два раза хуже указанного разрешения поперек и приближается к нему при увеличении размера сектора углов синтезирования до полного круга. При синтезировании в полном круге получаем так называемые круговые двумерные РЛИ, разрешение которых в любом направлении одинаково и составляет (0,2…0,18)λ₀.

Уменьшение разрешения РЛИ согласно прототипу достигается увеличением полосы перестройки частоты при увеличении сектора углов наблюдения соответственно соотношению

где

Достижимое разрешение двумерного РЛИ объекта согласно прототипу составляет 0,28 λ₀ при Δψ≥π/2=90° и 200% перестройке частоты, что на 40% ниже потенциально достижимого разрешения РЛИ, полученного предложенным способом при любой перестройке частоты.

При реализации предлагаемого способа выполняется следующая последовательность действий в части оценки третьей координаты элементов двумерного РЛИ:

согласно изобретению формируют два двумерных РЛИ объекта, соответствующие приему отраженного сигнала на две разнесенные по высоте антенны;

рассчитывают разности набегов фаз элементов сформированных РЛИ;

определяют третью координату (относительную высоту) элементов сформированных изображений.

Рассматривая одновременный прием отраженного сигнала на две антенны О и А и сворачивая принятые сигналы S^O и S^A в полосе частот ΔF и секторе углов азимута ±Δψ, имеем два РЛИ s^O и s^A:

где γ - угол места между фазовым центром соответствующей приемной антенны и центром вращения наблюдаемого объекта.

Принимая, в силу малости высот антенн сравнительно с дальностью до наблюдаемого объекта, cosγ≈1 и полагая переписываем (3) в координатах пространственных частот

Тогда разница набегов фаз элементов двух изображений ϕ^A(x,z) и ϕ^O(x,z) может быть оценена из соотношения:

Представляя γ_А = γ_O + (γ_A - γ_O) и учитывая малость (γ_А-γ_O) имеем

Тем самым относительная высота элемента (x,z) полученных изображений равна

Имея относительную высоту всех элементов двумерных РЛИ, каждое из них можно представить в виде объемного изображения, позволяющего наглядно устанавливать однозначное соответствие выявляемых РЦ элементам конструкции объекта.

Работоспособность предлагаемого способа проверена методом математического моделирования.

Условия локации заданы следующим образом:

зондирующие сигналы РЛС - импульсы с периодом повторения 20 мкс,

несущая частота сигнала меняется от импульса к импульсу с шагом 1000/511 МГц в полосе частот от 9500 до 10500 МГц,

объект равномерно вращается со скоростью 12%.

Модель объекта задана в виде совокупности неподвижных относительно связанной системы отсчета 9 шт. РЦ, которые расположены в линию на расстоянии 15 см друг от друга с монотонным изменением высоты в соответствии с таблицей. Уровни ЭПР заданных РЦ выбраны одинаковыми и равными в относительных единицах 50 дБ.

На фиг. 2 приведено двумерное РЛИ объекта в плоскости локации, полученное согласно прототипу в соответствующем заданной перестройке частоты секторе углов наблюдения ±3⁰. Разрешение РЛИ составляет 15 см. Погрешность оценки двух координат заданных РЦ составляет 5%. Третья координата РЦ не определена.

На фиг. 3 приведены двумерные РЛИ объекта в плоскости локации (наблюдение под углами места γ_O=0° и γ_A=1° полученные предложенным способом для того же сектора углов наблюдения ±3⁰. На фиг. 4 два полученных РЛИ представлены в пространстве. Разрешение РЛИ составляет 15 см. Погрешность оценки двух координат заданных РЦ составляет 5%, третьей координаты - 10%.

Для снижения погрешности оценки координат РЦ предложенным способом необходимо увеличивать сектор углов наблюдения. В качестве примера на фиг. 5 приведено двумерное РЛИ объекта в плоскости локации, полученное предложенным способом для полного круга углов наблюдения. Разрешение РЛИ составляет 6 мм. Погрешность оценки координат заданных РЦ не превышает 1%.

Сравнительный анализ полученных результатов показывает, что технический результат достигнут: устранены недостатки прототипа, обеспечено улучшение разрешающей способности двумерных РЛИ и получена оценка третьей координаты его элементов.

Изобретение относится к радиолокационной измерительной технике и может быть использовано, в частности, в радиолокационных измерительных комплексах (стендах) с измерительными установками многочастотного импульсного зондирования, осуществляющих построение двумерных радиолокационных изображений (РЛИ) исследуемых объектов с помощью инверсного синтеза апертуры антенны. Достигаемый технический результат - улучшение разрешающей способности двумерных РЛИ и получение оценки третьей координаты его элементов. Указанный результат достигается за счет уточнения размеров области определения пространственных частот, введения проверки выполнения условия принадлежности отсчетов пространственных частот области определения измеренного сигнала, приема отраженного сигнала на две разнесенные по высоте антенны и формирования двух двумерных РЛИ, оценки третьей координаты (относительной высоты) элементов полученных изображений на основе известных значений углов места наблюдения объекта обеими приемными антеннами и полученных набегов фаз элементов двух сформированных двумерных РЛИ объекта. 5 ил.

Способ получения двумерного радиолокационного изображения (РЛИ) объекта при многочастотном импульсном зондировании и инверсном синтезе апертуры с определением третьей координаты элементов изображения, включающий излучение импульсов с изменением несущей частоты ƒ от импульса к импульсу с шагом Δƒ в полосе частот ΔF, измерение частоты ƒ(t_nm) зондирующих импульсов в моменты времени t_nm, где n - номер шага перестройки частоты, m - номер повторного цикла перестройки, измерение в земной системе отсчета в моменты времени t_nm координат центра антенны РЛС и координат выбранного центра синтезирования на объекте, измерение относительно земной системы отсчета угла наблюдения ψ(t_nm) связанной с объектом системы отсчета с началом в центре синтезирования, прием отраженных сигналов, измерение комплексных огибающих S(t_nm) отраженных сигналов, корректировку фазы измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов к расстоянию от центра антенны радиолокационной системы до точки синтезирования, запоминание измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов в течение времени синтезирования в угловом секторе ±Δψ, образование двумерной матрицы комплексных огибающих в координатах пространственных частот и ее преобразование с помощью быстрого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу синтезированных откликов, определение величины порога по уровню первых боковых лепестков наиболее интенсивного отклика, сравнение величин откликов с порогом для выделения превышающих порог элементов матрицы, определение радиолокационного изображения объектов в виде совокупности выделенных элементов матрицы, отличающийся тем, что в элементы матрицы комплексных огибающих с номерами (n₁, m₁) заносят значения комплексных огибающих для шага перестройки частоты с номером и повторного цикла перестройки частоты с номером при выполнении следующего условия

где

с - скорость света, n₁=1,…,N₁, m₁=1,…,М₁,

N₁=L_z (maxƒ_z - minƒ_z),

M₁=L_x (maxƒ_x - min ƒ_x),

L_z, L_x - задаваемые размеры координатной области,

отраженный сигнал принимают на две разнесенные по высоте антенны О и А, первая из которых наблюдает объект под углом места γ_O, вторая под углом места γ_А; соответственно формируют два двумерных РЛИ с элементами где - увеличенные за счет добавления нулевых сигнальных отсчетов количественные размеры каждого РЛИ; оценивают третью координату элементов полученных изображений по соотношению

где - значения набегов фаз в элементах РЛИ,

- средняя частота полосы перестройки.