Способ сопровождения вертолета в импульсно-доплеровской радиолокационной станции Российский патент 2020 года по МПК G01S13/52 G01S7/41 

Изобретение относится к области вторичной обработки радиолокационных сигналов и может быть использовано для обеспечения бессрывного сопровождения вертолета в импульсно-доплеровской радиолокационной станции (РЛС).

Известен способ сопровождения воздушной цели, который может быть применен и для сопровождения вертолета по отражениям сигналов от его фюзеляжа и заключающийся в отслеживании вертолета на основе процедуры оптимальной линейной многомерной дискретной калмановской фильтрации по дальности, скорости и ускорению [1].

Недостатком данного способа сопровождения является невозможность с его помощью обеспечить бессрывное сопровождение вертолета в случае отсутствия приращения доплеровской частоты, обусловленное скоростью сближения вертолета с носителем импульсно-доплеровской РЛС.

Известен способ сопровождения воздушной цели, который может быть использован и для сопровождения вертолета, заключающийся в том, что сигнал, отраженный от вертолета на промежуточной частоте в импульсно-доплеровской РЛС подвергается узкополосной доплеровской фильтрации на основе процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ) и преобразуется в амплитудно-частотный спектр, составляющие которого обусловлены отражениями сигнала от фюзеляжа вертолета и вращающихся лопастей его несущего винта, в каждый k-й (k=1, …, К; К - общее количество отсчетов дискретного времени) дискретный момент времени определяется отсчет доплеровской частоты спектральной составляющей с максимальной амплитудой А_ф, превысившей порог и соответствующий отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, осуществляется фильтрация в фильтре сопровождения полученных отсчетов F_ф, доплеровских частот, соответствующих отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, в результате чего на выходе фильтра сопровождения формируется оценка доплеровской частоты [2].

Недостатком данного способа сопровождения является невозможность с его помощью обеспечить бессрывное сопровождение вертолета в случае отсутствия или незначительного приращения доплеровской частоты, обусловленное скоростью сближения вертолета с носителем импульсно-доплеровской РЛС, а также флюктуаций сигнала, отраженного от фюзеляжа вертолета. Так, например, при полете вертолета в режиме «висение» в спектре отраженного сигнала будет отсутствовать спектральная составляющая сигнала с амплитудой А_ф, обусловленная скоростью сближения вертолета (его фюзеляжа) с носителем РЛС, что приведет к срыву сопровождения вертолета. Кроме того, ввиду флюктуаций сигнала, отраженного от фюзеляжа вертолета, даже при его стационарном полете или с ускорением, также возможны ситуации, когда амплитуда А_ф спектральной составляющей сигнала, отраженного от фюзеляжа вертолета, не будет превышать установленный порог, что приведет к отсутствию на входе фильтра сопровождения соответствующего отсчета F_ф доплеровской частоты, а следовательно и к срыву сопровождения вертолета в целом.

Цель изобретения - обеспечить бессрывное сопровождение вертолета в импульсно-доплеровской радиолокационной станции.

Для достижения цели в способе сопровождения вертолета в импульсно-доплеровской РЛС, заключающемся в том, что сигнал, отраженный от вертолета на промежуточной частоте в импульсно-доплеровской РЛС подвергается узкополосной доплеровской фильтрации на основе процедуры БПФ и преобразуется в амплитудно-частотный спектр, составляющие которого обусловлены отражениями сигнала от фюзеляжа вертолета и вращающихся лопастей его несущего винта, в каждый k-й (где k=1, …, К; К - общее количество отсчетов дискретного времени) дискретный момент времени определяется отсчет F_ф доплеровской частоты спектральной составляющей с максимальной амплитудой А_ф, превысившей первый порог U₁ и соответствующий отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, осуществляется фильтрация в первом фильтре сопровождения полученных отсчетов F_ф доплеровских частот, соответствующих отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, в результате чего на выходе первого фильтра сопровождения формируется оценка доплеровской частоты, дополнительно с определением отсчетов F_ф доплеровских частот, соответствующих отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, в каждый k-й дискретный момент времени определяются отсчеты F_i, (где i=1, …, I; I - общее количество амплитуд спектральных составляющих, превысивших второй порог U₂), соответствующие отражениям сигнала от лопастей несущего винта вертолета за исключением спектральной составляющей с максимальной амплитудой А_ф и соответствующей отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, при этом величина второго порога U₂ в n раз меньше величины первого порога U₁, вычисляется один отсчет F_э доплеровской частоты, соответствующий энергетическому центру отражений сигнала от лопастей несущего винта вертолета, как

где

М{…} - операция математического ожидания;

A_i - i-я амплитуда спектральной составляющей сигнала, соответствующая отражениям сигнала от лопастей несущего винта вертолета,

осуществляется фильтрация во втором фильтре сопровождения полученных последовательных в дискретном времени отсчетов F_э доплеровских частот, соответствующих энергетическому центру отражений сигнала от лопастей несущего винта вертолета, при наличии отсчетов F_ф доплеровских частот спектральных составляющих, превысивших первый порог U₁ и соответствующих отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, на выходе формируется оценка доплеровской частоты с выхода первого фильтра сопровождения вертолета по отражениям сигнала от его фюзеляжа, при наличии отсчетов F_i доплеровских частот спектральных составляющих, превысивших второй порог U₂ и не превысивших первый порог U₁, на выходе формируется оценка доплеровской частоты с выхода второго фильтра сопровождения вертолета по отражениям сигнала от лопастей его несущего винта.

Новыми признаками, обладающими существенными отличиями, являются:

1. Определение в каждый k-й дискретный момент времени одновременно с формированием отсчетов F_ф доплеровских частот, соответствующих отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, отсчетов F_i доплеровских частот амплитуд спектральных составляющих сигнала, превысивших второй порог U₂, соответствующие отражениям сигнала от лопастей несущего винта вертолета, за исключением спектральной составляющей с максимальной амплитудой А_ф и соответствующей отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, при этом величина второго порога U₂ в n раз меньше величины первого порога U₁.

2. Вычисление одного отсчета F_э доплеровской частоты, соответствующего энергетическому центру отражений сигнала от лопастей несущего винта вертолета в соответствии с выражением (1).

3. Фильтрация во втором фильтре сопровождения полученных отсчетов F_э доплеровских частот, соответствующих энергетическому центру отражений сигнала от лопастей несущего винта вертолета.

4. Использование при наличии отсчетов F_ф доплеровских частот спектральных составляющих, превысивших первый порог U₁ и соответствующих отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета оценки доплеровской частоты с выхода первого фильтра сопровождения вертолета по отражениям сигнала от его фюзеляжа, а при наличии отсчетов F_i доплеровских частот спектральных составляющих, превысивших второй порог U₂ и не превысивших первый порог U₁ - оценки доплеровской частоты с выхода второго фильтра сопровождения вертолета по отражениям сигнала от лопастей его несущего винта.

Данные признаки обладают существенными отличиями, так как в известных способах не обнаружены.

Применение новых признаков в совокупности с известными позволит обеспечить бессрывное сопровождение вертолета в импульсно-доплеровской РЛС.

На рисунке 1 приведена блок-схема, поясняющая предлагаемый способ сопровождения вертолета в импульсно-доплеровской РЛС, на рисунке 2 (а, б, в, г, д) - эпюры, поясняющие процесс бессрывного сопровождения вертолета.

Способ сопровождения вертолета в импульсно-доплеровской РЛС реализуется следующим образом.

На вход блока 1 БПФ (рисунок 1) на промежуточной частоте с выхода приемника РЛС поступает сигнал S(t) (рисунок 2а), отраженный от вертолета, который подвергается узкополосной доплеровской фильтрации на основе процедуры БПФ и преобразуется в амплитудно-частотный спектр S(f) (рисунок 2б), составляющие которого обусловлены отражениями сигнала от фюзеляжа А_ф сопровождаемого вертолета и вращающихся лопастей его несущего винта А_i.

С выхода блока 1 БПФ (рисунок 1) на первые входы пороговых устройств 2 и 3 поступают соответственно значения амплитуд А_ф и А_i амплитудно-частотного спектра S(f) отраженного от вертолета сигнала. На их вторые входы подаются соответственно значения порогов U₁ и U₂. Причем значение порога U₂ в n раз меньше значения порога U₁.

В каждый k-й дискретный момент времени на выходе первого порогового устройства 2 определяется отсчет F_ф доплеровской частоты (рисунок 2в) спектральной составляющей с максимальной амплитудой А_ф, превысившей первый порог U₁ и соответствующий отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, который подается (рисунок 1) на вход первого фильтра 4 сопровождения. В результате на его выходе формируется оценка доплеровской частоты, которая поступает на первый вход коммутатора 5.

Одновременно с определением отсчетов F_ф доплеровских частот, соответствующих отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, в каждый k-й дискретный момент времени определяются отсчеты F_i амплитуд A_i, превысивших второй порог U₂ и соответствующие отражениям сигнала от лопастей несущего винта вертолета (рисунок 2г), за исключением спектральной составляющей с максимальной амплитудой А_ф и соответствующей отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета.

В вычислителе 6 (рисунок 1) в соответствии с выражением (1) вычисляется один отсчет F_э доплеровской частоты (рисунок 2д), соответствующий энергетическому центру отражений сигнала от лопастей несущего винта вертолета, который подается на вход второго фильтра 7 (рисунок 1) сопровождения, где осуществляется фильтрация полученных отсчетов F_э доплеровских частот, соответствующих энергетическому центру отражений сигнала от лопастей несущего винта вертолета, в результате чего на его выходе формируется оценка доплеровской частоты по отражениям сигнала от лопастей его несущего винта, которая поступает на второй вход коммутатора 5.

На выходе коммутатора 5 при наличии отсчетов F_ф доплеровских частот спектральных составляющих, превысивших первый порог U₁ и соответствующих отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, формируется оценка доплеровской частоты с выхода первого фильтра 4 сопровождения вертолета по отражениям сигнала от его фюзеляжа, а при наличии отсчетов F_i доплеровских частот спектральных составляющих, превысивших второй порог U₂ и не превысивших первый порог U₁ - оценка доплеровской частоты с выхода второго фильтра 7 сопровождения вертолета по отражениям сигнала от лопастей его несущего винта.

Для оценки работоспособности предлагаемого способа были проведены летно-экспериментальные исследования по регистрации на промежуточной частоте с выхода линейной части приемника РЛС с фазированной антенной решеткой, построенной по импульсно-доплеровскому принципу обработки сигналов и работающей в сантиметровом диапазоне волн, радиолокационных сигналов, отраженных практически от всех типов отечественных вертолетов при различном характере их полета (в том числе и в режиме «висение»), и их последующая узкополосная спектральная обработка на основе процедуры БПФ с эквивалентной полосой пропускания одного бина, равной 10 Гц. В результате обработки зарегистрированных реальных радиолокационных сигналов, отраженных от различных типов отечественных вертолетов, установлено, что:

амплитуда спектральной составляющей сигнала, отраженного от фюзеляжа вертолета А_ф в 10-12 раз превышает амплитуды A_i спектральных составляющих сигнала, отраженного от лопастей несущего винта вертолета, то есть величина порога U₂ должна быть меньше в 10-12 раз величины порога U₁;

диапазон доплеровских частот, занимаемый отражениями сигнала от лопастей несущего винта вертолета, составляет 8-12 кГц;

численное значение отсчета F_э доплеровской частоты (рисунок 2д), соответствующий энергетическому центру отражений сигнала от лопастей несущего винта вертолета, вычисляемого в соответствии с выражением (1), отличается на 12-15% от значения отсчета доплеровской частоты, вычисленного в виде математического ожидания отсчетов доплеровских частот амплитуд A_i, то есть точность оценки доплеровской частоты выше относительно точности оценки доплеровской частоты, получаемой на основе фильтрации отсчетов доплеровской частоты, соответствующих математическому ожиданию отсчетов доплеровских частот амплитуд A_i.

Таким образом, применение предлагаемого способа позволит обеспечить бессрывное сопровождение вертолета в импульсно-доплеровской РЛС.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Зингер Р.А. Оценка характеристик оптимального фильтра для слежения за пилотируемой целью // Зарубежная радиоэлектроника. - 1971. - №8. (аналог).

2. Пат. 2419815 Российская Федерация, МПК G01S 13/52 (2006.01). Способ сопровождения воздушной цели из класса «самолет с турбореактивным двигателем» [Текст] / Богданов А.В., Васильев О.В., Исаков И.Н., Ситников А.Г., Филонов А.А.; заявитель и патентообладатель ОАО "ГСКБ "АЛМАЗ-АНТЕЙ" им. АКАДЕМИКА А.А. РАСПЛЕТИНА (RU). - №2009140853/09; заявл. 03.11.2009; опубл. 27.05.2011, Бюл. №15. - 12 с.: ил. (прототип).

Изобретение относится к области вторичной цифровой обработки радиолокационных сигналов. Достигаемый технический результат - обеспечение бессрывного сопровождения вертолета в импульсно-доплеровской радиолокационной станции. Способ заключается в параллельном сопровождении на основе узкополосной доплеровской фильтрации и процедуры быстрого преобразования Фурье отсчетов доплеровских частот, обусловленных отражениями сигнала от фюзеляжа вертолета и вращающихся лопастей несущего винта вертолета. Затем определяют отсчет F_ф доплеровской частоты спектральной составляющей с максимальной амплитудой А_ф, превысившей первый порог U₁ и соответствующий отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета. Полученные последовательные в дискретном времени отсчеты доплеровских частот фильтруют в первом фильтре сопровождения. Определяют отсчеты F_i, где i=1, …, I; I - общее количество амплитуд спектральных составляющих, превысивших второй порог U₂, соответствующих отражениям сигнала от лопастей несущего винта вертолета, за исключением спектральной составляющей с максимальной амплитудой А_ф и соответствующей отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета. Величина второго порога U₂ в n раз меньше величины первого порога U_1. Вычисляют отсчеты F_э доплеровской частоты, соответствующий энергетическому центру отражений сигнала от лопастей несущего винта вертолета, и фильтруют их во втором фильтре. При наличии отсчетов доплеровских частот спектральных составляющих, превысивших первый порог U₁ и соответствующих отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, формируют оценки параметров движения вертолета при его сопровождении по отражениям сигнала от его фюзеляжа. При наличии отсчетов доплеровских частот спектральных составляющих, превысивших второй порог U₂ и не превысивших первый порог U₁, формируют оценки параметров движения вертолета при его сопровождении по отражениям сигнала от лопастей несущего винта. 2 ил.

Способ сопровождения вертолета в импульсно-доплеровской радиолокационной станции, заключающийся в том, что сигнал, отраженный от вертолета на промежуточной частоте в импульсно-доплеровской радиолокационной станции подвергается узкополосной доплеровской фильтрации на основе процедуры быстрого преобразования Фурье и преобразуется в амплитудно-частотный спектр, составляющие которого обусловлены отражениями сигнала от фюзеляжа вертолета и вращающихся лопастей его несущего винта, в каждый k-й, где k=1, …, К; К - общее количество отсчетов дискретного времени, дискретный момент времени определяется отсчет F_ф доплеровской частоты спектральной составляющей с максимальной амплитудой А_ф, превысившей первый порог U₁ и соответствующий отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, осуществляется фильтрация в первом фильтре сопровождения полученных отсчетов F_ф доплеровских частот, соответствующих отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, в результате чего на выходе первого фильтра сопровождения формируется оценка доплеровской частоты, отличающийся тем, что одновременно с определением отсчетов F_ф доплеровских частот, соответствующих отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, в каждый k-й дискретный момент времени определяются отсчеты F_i, где i=1, …, I; I - общее количество амплитуд спектральных составляющих, превысивших второй порог U₂, соответствующие отражениям сигнала от лопастей несущего винта вертолета, за исключением спектральной составляющей с максимальной амплитудой А_ф и соответствующей отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, при этом величина второго порога U₂ в n раз меньше величины первого порога U₁, вычисляется один отсчет F_э доплеровской частоты, соответствующий энергетическому центру отражений сигнала от лопастей несущего винта вертолета, как

где

М{…} - операция математического ожидания;

A_i - i-я амплитуда спектральной составляющей сигнала, соответствующая отражениям сигнала от лопастей несущего винта вертолета,

осуществляется фильтрация во втором фильтре сопровождения полученных последовательных в дискретном времени отсчетов F_э доплеровских частот, соответствующих энергетическому центру отражений сигнала от лопастей несущего винта вертолета, при наличии отсчетов F_ф доплеровских частот спектральных составляющих, превысивших первый порог U₁ и соответствующих отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, на выходе формируется оценка доплеровской частоты с выхода первого фильтра сопровождения вертолета по отражениям сигнала от его фюзеляжа, при наличии отсчетов F_i доплеровских частот спектральных составляющих, превысивших второй порог U₂ и не превысивших первый порог U₁, на выходе формируется оценка доплеровской частоты с выхода второго фильтра сопровождения вертолета по отражениям сигнала от лопастей его несущего винта.