СПОСОБ РАСПОЗНАВАНИЯ ТИПА САМОЛЁТА С ТУРБОРЕАКТИВНЫМ ДВИГАТЕЛЕМ В ИМПУЛЬСНО-ДОПЛЕРОВСКОЙ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ Российский патент 2020 года по МПК G01S13/52 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для распознавания в импульсно-доплеровской радиолокационной станции (РЛС) типа самолета с турбореактивным двигателем (ТРД).

Известен способ функционирования импульсно-доплеровской РЛС, заключающийся в формировании высокочастотной последовательности зондирующих импульсов, их усилении по мощности, излучении в пространство, приеме, усилении, преобразовании отраженных сигналов на промежуточные частоты, их селекции по дальности и доплеровской частоте, преобразовании сигналов в цифровую форму с последующем их спектральным анализом [1].

Недостатком данного способа функционирования импульсно-доплеровской РЛС являются его ограниченные функциональные возможности, не позволяющие распознать тип самолета с ТРД.

Известен способ распознавания типа самолета с ТРД в импульсно-доплеровской РЛС, заключающийся в том, что радиолокационный (РЛ) сигнал, отраженный от самолета с ТРД, с выхода приемника РЛС на промежуточной частоте подвергается узкополосной доплеровской фильтрации на основе процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ) и преобразуется в амплитудно-частотный спектр (АЧС), спектральные составляющие которого обусловлены отражениями сигнала от планера самолета с ТРД и вращающихся лопаток рабочего колеса компрессора низкого давления (КНД) его силовой установки, путем пороговой обработки АЧС сигнала формируют только те отсчеты доплеровских частот F_i с соответствующими амплитудами спектральных составляющих, которые превысили установленный порог (где - общее количество отсчетов доплеровских частот, на частотных позициях которых амплитуды спектральных составляющих превысили установленный порог), за время Т каждого обзора пространства, измеряют два значения дальности Д₁ и Д₂ до самолета с ТРД, по измеренным значениям дальности Д₁ и Д₂ предварительно вычисляют частотную позицию доплеровской частоты обусловленной скоростью сближения носителя импульсно-доплеровской радиолокационной станции с планером самолета с ТРД, как

где λ - рабочая длина волны импульсно-доплеровской РЛС,

в АЧС сигнала определяют ближайшее к предварительно вычисленной частотной позиции доплеровской частоты значение доплеровской частоты с соответствующей амплитудой спектральной составляющей, превысившей установленный порог, которое окончательно определяет доплеровскую частоту сигнала F_п в его АЧС, обусловленную скоростью сближения носителя импульсно-доплеровской РЛС с планером самолета с ТРД, определяют в АЧС сигнала позицию доплеровской частоты где j=1, …, (i-1), (i+1), …, N, на которой находится спектральная составляющая, превысившая установленный порог и имеющая максимальную амплитуду A_j, j=1, …, (i-1), (i+1), …, N, которая соответствует значению доплеровской частоты F_к, обусловленной скоростью сближения носителя импульсно-доплеровской РЛС с вращающимися лопатками первой ступени КНД силовой установки самолета с ТРД, вычисляют разность доплеровских частот ΔF_пк=(F_п-F_к), априорно разбивают диапазон разностей ΔF_пк на Q неперекрывающихся поддиапазонов, нижняя и верхняя границы каждого q-го поддиапазона, соответствующего q-му типу цели, определяются выражениями

где

F_P - максимальная частота вращения ротора КНД силовой установки q-го типа самолета с ТРД;

n₁ и n₂ - соответственно минимальное и максимальное значения величины относительных оборотов вращения ротора силовой установки, одинаковые для всех типов самолетов с ТРД;

Z - количество лопаток рабочего колеса первой ступени КНД силовой установки самолета с ТРД, при попадании разности доплеровских частот ΔF_пк в q-й поддиапазон принимают решение о q-м типе самолета с турбореактивным двигателем [2].

Недостатком данного способа является низкая достоверность распознавания типа самолета с ТРД в импульсно-доплеровской РЛС. Это обусловлено тем, что при распознавании типа самолета с ТРД в соответствии с данным способом диапазон разностей ΔF_пк разбивают на Q неперекрывающихся поддиапазонов только для одной фиксированной высоты полета самолета с ТРД.

На самом деле, на основе анализа результатов экспериментальных исследований по регистрации с линейного выхода приемника импульсно-доплеровской РЛС воздушного базирования РЛ сигналов в сантиметровом диапазоне волн, отраженных от различных типов самолетов с ТРД, и их обработке с целью получения АЧС зарегистрированных реальных РЛ сигналов путем применения узкополосной доплеровской фильтрации на основе процедуры БПФ, установлено, что значения разности доплеровских частот ΔF_пк=(F_п-F_к), полученные в результате обработки зарегистрированных РЛ сигналов, отраженных от одного и того же типа самолета с ТРД, выполняющего полет на разных высотах, при прочих равных условиях, различны. Так, установлено, что значения разности доплеровских частот ΔF_пк увеличиваются с ростом высоты полета, то есть из выражений (2) и (3) следует, что с ростом высоты полета самолета с ТРД увеличиваются величины относительных оборотов вращения ротора КНД силовой установки самолета с ТРД, что может привести к недостоверной оценке вероятности правильного распознавания типа самолета с ТРД. В [3, 4] приведены типичные зависимости относительных оборотов вращения ротора КНД силовой установки двигателя от высоты полета.

Цель изобретения - повышение достоверности распознавания типа самолета с турбореактивным двигателем в импульсно-доплеровской радиолокационной станции при его полете на различных высотах.

С этой целью, в способе распознавания типа самолета с ТРД в импульсно-доплеровской РЛС, заключающимся в том, что РЛ сигнал, отраженный от самолета с ТРД, подвергается узкополосной доплеровской фильтрации на основе процедуры БПФ и преобразуется в АЧС, спектральные составляющие которого обусловлены отражениями сигнала от планера самолета с ТРД и вращающихся лопаток рабочего колеса КНД его силовой установки, путем пороговой обработки АЧС сигнала формируют только те отсчеты доплеровских частот F_i с соответствующими амплитудами спектральных составляющих, которые превысили установленный порог (где - общее количество отсчетов доплеровских частот, на частотных позициях которых амплитуды спектральных составляющих превысили установленный порог), за время Т каждого обзора пространства измеряют два значения дальности Д₁ и Д₂ до самолета с ТРД, по измеренным значениям дальности Д₁ и Д₂ в соответствии с формулой (1) предварительно вычисляют частотную позицию доплеровской частоты обусловленную скоростью сближения носителя импульсно-доплеровской РЛС с планером самолета с ТРД, в АЧС сигнала определяют ближайшее к предварительно вычисленной частотной позиции доплеровской частоты значение доплеровской частоты с соответствующей амплитудой спектральной составляющей, превысившей установленный порог, которое окончательно определяет доплеровскую частоту сигнала F_п в его АЧС, обусловленную скоростью сближения носителя импульсно-доплеровской РЛС с планером самолета с ТРД, определяют в АЧС сигнала позицию доплеровской частоты (где j=1, …, (i-1), (i+1), …, N), на которой находится спектральная составляющая, превысившая установленный порог и имеющая максимальную амплитуду A_j , j=1, …, (i-1), (i+1), …, N, которая соответствует значению доплеровской частоты F_к, обусловленной скоростью сближения носителя импульсно-доплеровской РЛС с вращающимися лопатками первой ступени КНД силовой установки самолета с ТРД, вычисляют разность доплеровских частот ΔF_пк=(F_п-F_к), дополнительно за время Т каждого обзора пространства измеряют значения бортовых пеленгов ϕ_г азимута и ϕ_в угла места, по измеренным значениям бортовых пеленгов ϕ_г и ϕ_в и средней дальности Д, определяемой, как Д=(Д₁+Д₂)/2, вычисляют высоту полета самолета с ТРД в соответствии с выражением

где

Н_РЛС - высота полета самолета-носителя радиолокационной станции;

- поправка высоты, учитывающая рефракцию радиоволн;

R_Э - эквивалентный радиус Земли;

- высота полета самолета с ТРД относительно высоты полета самолета-носителя РЛС,

для каждой высоты Н полета самолета с ТРД (где H_min и H_max - соответственно минимальная и максимальная высоты полета самолета с ТРД), диапазон разностей ΔF_пк априорно разбивают на Q неперекрывающихся поддиапазонов, нижняя и верхняя границы каждого q-го поддиапазона, соответствующего q-му типу цели и высоте Н полета самолета с ТРД определяются выражениями (2) и (3), при попадании разности доплеровских частот ΔF_пк в q-ый поддиапазон принимают решение о q-м типе самолета с ТРД, летящем на высоте Н.

Новыми признаками, обладающими существенными отличиями, являются.

1. Вычисление высоты полета самолета с ТРД за время каждого обзора пространства в соответствии с выражением (4).

2. Разбиение для каждой априорно фиксированной высоте Н полета самолета с ТРД диапазона разностей ΔF_пк на Q неперекрывающихся поддиапазонов, при этом, нижняя и верхняя границы каждого q-го поддиапазона и высоте полета Н определяются выражениями (2) и (3).

3. Принятие решения о q-м типе самолета с ТРД, летящем на высоте Н, при попадании разности доплеровских частот ΔF_пк в q-ый поддиапазон.

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

Применение новых признаков в совокупности с известными позволит повысить достоверность распознавания типа самолета с ТРД в импульсно-доплеровской РЛС при его полете на различных высотах.

На рисунке 1 приведена блок-схема, поясняющая предлагаемый способ распознавания типа самолета с ТРД в импульсно-доплеровской РЛС, на рисунке 2 (а, б, в), 3 и 4 - эпюры, поясняющие предлагаемый способ распознавания q-го типа самолета с ТРД, летящем на различных высотах.

Предлагаемый способ распознавания типа самолета с ТРД в импульсно-доплеровской РЛС осуществляется следующим образом.

Радиолокационный сигнал S(t), отраженный от самолета с ТРД, с выхода приемника РЛС на промежуточной частоте поступает (рисунок 1) на вход блока 1 БПФ, где подвергается узкополосной доплеровской фильтрации на основе процедуры БПФ и преобразуется в АЧС S(f) (рисунок 2а - отсчеты доплеровских частот F₁, F₂, F₃, F₄, F₅, F₆, F₇ с соответствующими амплитудами А₁, А₂, А₃, А₄, А₅, А₆, А₇), спектральные составляющие которого обусловлены лены отражениями сигнала от планера самолета с ТРД и вращающихся лопаток рабочего колеса КНД его силовой установки. Данные спектральные составляющие (рисунок 1) с соответствующими частотами и амплитудами поступают на формирователь 2 отсчетов, в котором путем пороговой обработки формируются (рисунок 2б) только те отсчеты доплеровских частот (F₁, F₃, F₄, F₅, F₇) с соответствующими амплитудами (А₁, А₃, А₄, А₅, А₇) спектральных составляющих, которые превысили установленный порог (амплитуды А₂ и А₆ спектральных составляющих на частотных позициях соответственно F₂ и F₆ не превысили установленный порог).

За время Т каждого обзора пространства измеренные значения дальности Д₁ и Д₂ между носителем РЛС и самолетом с ТРД поступают (рисунок 1) на вход вычислителя 3, в котором предварительно вычисляется частотная позиция доплеровской частоты обусловленная скоростью сближения носителя импульсно-доплеровской РЛС с планером самолета с ТРД в соответствии с выражением (1). Это значение доплеровской частоты поступает в формирователь 4 отсчета доплеровской частоты планерной составляющей спектра сигнала (рисунок 2б), на другой вход которого с выхода (рисунок 1) формирователя 2 отсчетов поступают значения доплеровских отсчетов частот F₁, F₃, F₄, F₅, F₇. В формирователе 4 определяется (рисунок 2в) ближайшее к предварительно вычисленной в вычислителе 3 частотной позиции доплеровской частоты значение доплеровской частоты (рисунок 2в, частотная позиция F₄) с соответствующей амплитудой (рисунок 2в - амплитуда А₄) спектральной составляющей, превысившей установленный порог, которое окончательно и определяет доплеровскую частоту сигнала F_п в его АЧС, обусловленную скоростью сближения носителя импульсно-доплеровской РЛС с планером самолета с ТРД.

В формирователе 5 (рисунок 1), на входы которого также поступают значения частот F₁, F₃, F₄, F₅, F₇ с соответствующими амплитудами А₁, А₃, А₄, А₅, А₇ с выхода формирователя 2 отсчетов и значение частотной позиции i=4, соответствующей доплеровской частоте, обусловленной скоростью сближения носителя РЛС с самолетом с ТРД, определяется (без учета 4-й позиции) позиция доплеровской частоты (j=1, 3, 5, 7), на которой находится спектральная составляющая, превысившая установленный порог и имеющая максимальную амплитуду A_j (рисунок 2б - амплитуда А₁ на частотной позиции F₁), которая соответствует значению доплеровской частоты F_к (рисунок 2в), обусловленной скоростью сближения носителя импульсно-доплеровской РЛС с вращающимися лопатками первой ступени КНД силовой установки самолета с ТРД.

В блоке 6 вычитания (рисунок 1) вычисляется разность доплеровских частот ΔF_пк=(F_п-F_к) (рисунок 2в), которая поступает (рисунок 1) на вход решающего блока 7.

За время Т каждого обзора пространства измеренные значения дальностей Д₁ и Д₂, азимута ϕ_г, угла места ϕ_в, высоты полета Н_РЛС самолета-носителя РЛС, константа, определяющая значение эквивалентного радиуса Земли R_Э, поступают (рисунок 1) на соответствующие входы вычислителя 8, в котором в соответствии с формулой (4) вычисляется высота полета Н самолета с ТРД. Это значение высоты Н поступает в формирователь 9, где хранятся априорно разбитые на Q неперекрывающихся поддиапазонов разности ΔF_пк для различных высот полета самолета с ТРД (рисунок 3). При этом, нижняя и верхняя границы каждого q-го поддиапазона соответствующего q-му типу цели и высоте полета Н, определяются выражениями (2) и (3). В формирователе 9 из всей совокупности априорно разбитых на Q неперекрывающихся поддиапазонов разности ΔF_пк для различных высот полета самолета с ТРД выбирается только один, соответствующий вычисленному в вычислителе 8 значению высоты Н полета самолета с ТРД. Значения границ выбранных поддиапазонов и поступают на вход решающего блока 7 (рисунок 1).

В решающем блоке 7 на основе анализа (рисунок 4) попадания вычисленной разности доплеровских частот ΔF_пк в q-ый поддиапазон принимается решение о q-м типе самолета с ТРД.

Для оценки работоспособности предлагаемого способа было проведено его имитационное моделирование. На вход блока 1 БПФ подавался на промежуточной частоте зарегистрированный в сантиметровом диапазоне волн с линейного выхода приемника импульсно-доплеровской РЛС воздушного базирования РЛ сигнал, отраженный от отечественного самолета с ТРД, выполняющего полет на различных высотах. Процедура БПФ осуществлялась при эквивалентной полосе пропускания одного бина алгоритма БПФ, равного порядка 10 Гц. Всего было проанализировано более 1000 АЧС.

В результате имитационного моделирования предлагаемого способа установлено, что с доверительной вероятностью 0,95 оценка математического ожидания вероятности правильного (ложного) распознавания данного типа самолета находится в пределах 0,88-0,92 (10^-3-10^-4) при различных высотах его полета.

Кроме того, установлено, что увеличение ошибки определения высоты полета самолета с ТРД приводит к уменьшению оценки математического ожидания вероятности правильного распознавания до нуля и росту оценки математического ожидания вероятности ложного распознавания.

Таким образом, применение предлагаемого изобретения позволит повысить достоверность распознавания типа самолета с ТРД в импульсно-доплеровской РЛС при его полете на различных высотах.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Авиационные радиолокационные комплексы и системы: учебник для слушателей и курсантов ВУЗов ВВС / П.И. Дудник, Г.С. Кондратенков, Б.Г. Татарский, А.Р. Ильчук, А.А. Герасимов. Под ред. П.И. Дудника. - М.: изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2006, страницы 639-641, рисунок 12.39 (аналог).

2. Пат. 2705070 Российская Федерация, МПК G01S 13/52 (2006.01). Способ распознавания типа самолета с турбореактивным двигателем в импульсно-доплеровской радиолокационной станции. Заявитель и патентообладатель Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования «Военная академия воздушно-космической обороны имени Маршала Советского Союза Г.К. Жукова» Министерства обороны Российской Федерации (RU). - №2019111580; заявл. 16.04.2019; опубл. 05.11.2019, Бюл. №31. - 15 с.: ил. (прототип).

3. Автоматика управления авиационными двигателями: учебно-методическое пособие в 3 частях. Часть 2. Автоматические ограничители параметров двигателей, автоматизация процессов запуска и приемистости двигателя / сост.: А.И. Сидунов, Н.И. Пучко. - Минск: МГВАК, 2012. - 83 с, страницы 16, 36.

4. Двигатель Д-30КП-2. Инструкция по технической эксплуатации. - М.: ОАО «НПО «Сатурн», 2001, Приложение 1, страница 7, Дополнение (к приложению 1), страница 27.

Изобретение относится к области радиолокации. Достигаемый технический результат - повышение достоверности распознавания типа самолета с турбореактивным двигателем в импульсно-доплеровской радиолокационной станции при его полете на различных высотах. Способ заключается в том, что радиолокационный сигнал, отраженный от самолета с ТРД, подвергается узкополосной доплеровской фильтрации на основе процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ) и преобразуется в амплитудно-частотный спектр (АЧС) отражений сигнала от планера самолета с ТРД и вращающихся лопаток рабочего колеса компрессора низкого давления (КНД) его силовой установки. Путем пороговой обработки АЧС сигнала формируют только те отсчеты доплеровских частот F_i с соответствующими амплитудами спектральных составляющих, которые превысили установленный порог. Одновременно за время Т каждого обзора пространства измеряют два значения дальности Д₁ и Д₂ до самолета с ТРД и вычисляют частотную позицию доплеровской частоты F_п, зависящую от скорости сближения носителя импульсно-доплеровской РЛС с планером самолета с ТРД. Определяют в АЧС сигнала позицию доплеровской частоты с максимальной по амплитуде спектральной составляющей, превысившей установленный порог, которая соответствует значению доплеровской частоты F_к, обусловленной скоростью сближения носителя импульсно-доплеровской РЛС с вращающимися лопатками первой ступени КНД силовой установки самолета с ТРД, и вычисляют разность доплеровских частот ΔF_пк=(F_п-F_к). Дополнительно за время Т каждого обзора пространства измеряют значения бортовых пеленгов ϕ_г азимута и ϕ_в угла места, среднюю дальность, вычисляют высоту полета самолета с ТРД. Для каждой высоты Н полета самолета с ТРД диапазон разностей ΔF_пк разбивают на Q неперекрывающихся поддиапазонов. При попадании разности доплеровских частот ΔF_пк в q-й поддиапазон принимают решение о q-м типе самолета с ТРД, летящем на высоте Н. 4 ил.

Способ распознавания типа самолета с турбореактивным двигателем в импульсно-доплеровской радиолокационной станции, заключающийся в том, что радиолокационный сигнал, отраженный от самолета с турбореактивным двигателем, подвергается узкополосной доплеровской фильтрации на основе процедуры быстрого преобразования Фурье и преобразуется в амплитудно-частотный спектр, спектральные составляющие которого обусловлены отражениями сигнала от планера самолета с турбореактивным двигателем и вращающихся лопаток рабочего колеса компрессора низкого давления его силовой установки, путем пороговой обработки амплитудно-частотного спектра сигнала формируют только те отсчеты доплеровских частот F_i с соответствующими амплитудами спектральных составляющих, которые превысили установленный порог, где - общее количество отсчетов доплеровских частот, на частотных позициях которых амплитуды спектральных составляющих превысили установленный порог, за время Т каждого обзора пространства измеряют два значения дальности Д₁ и Д₂ до самолета с турбореактивным двигателем, по измеренным значениям дальности Д₁ и Д₂ предварительно вычисляют частотную позицию доплеровской частоты обусловленную скоростью сближения носителя импульсно-доплеровской радиолокационной станции с планером самолета с турбореактивным двигателем, как где λ - рабочая длина волны импульсно-доплеровской радиолокационной станции, в амплитудно-частотном спектре сигнала определяют ближайшее к предварительно вычисленной частотной позиции доплеровской частоты значение доплеровской частоты с соответствующей амплитудой спектральной составляющей, превысившей установленный порог, которое окончательно определяет доплеровскую частоту сигнала F_п в его амплитудно-частотном спектре, обусловленную скоростью сближения носителя импульсно-доплеровской радиолокационной станции с планером самолета с турбореактивным двигателем, определяют в амплитудно-частотном спектре сигнала позицию доплеровской частоты где j=1, …, (i-1), (i+1), …, N, на которой находится спектральная составляющая, превысившая установленный порог и имеющая максимальную амплитуду A_j, j=1, …, (i-1), (i+1), …, N, которая соответствует значению доплеровской частоты F_к, обусловленной скоростью сближения носителя импульсно-доплеровской радиолокационной станции с вращающимися лопатками первой ступени компрессора низкого давления силовой установки самолета с турбореактивным двигателем, вычисляют разность доплеровских частот ΔF_пк=(F_п-F_к),

отличающийся тем, что за время Т каждого обзора пространства измеряют значения бортовых пеленгов ϕ_г азимута и ϕ_в угла места, по измеренным значениям бортовых пеленгов ϕ_г и ϕ_в и средней дальности Д, определяемой как Д=(Д₁+Д₂)/2, вычисляют высоту полета самолета с турбореактивным двигателем в соответствии с выражением

где Н_РЛС - высота полета самолета-носителя радиолокационной станции;

- поправка высоты, учитывающая рефракцию радиоволн;

R_Э - эквивалентный радиус Земли;

- высота полета самолета с турбореактивным двигателем относительно высоты полета самолета-носителя радиолокационной станции, для каждой высоты Н полета самолета с турбореактивным двигателем, где H_min и H_max - минимальная и максимальная высоты полета самолета с турбореактивным двигателем, диапазон разностей ΔF_пк априорно разбивают на Q неперекрывающихся поддиапазонов, нижняя и верхняя границы каждого q-го поддиапазона, соответствующего q-му типу цели и высоте Н полета самолета с турбореактивным двигателем, определяются выражениями

где

F_P - максимальная частота вращения ротора компрессора низкого давления силовой установки q-го типа самолета с турбореактивным двигателем; n₁ и n₂ - соответственно минимальное и максимальное значение величины относительных оборотов вращения ротора силовой установки, соответствующие высоте Н полета самолета с турбореактивным двигателем, одинаковые для всех их типов; Z - количество лопаток рабочего колеса первой ступени компрессора низкого давления силовой установки самолета с турбореактивным двигателем q-го типа, при попадании разности доплеровских частот ΔF_пк в q-й поддиапазон принимают решение о q-м типе самолета с турбореактивным двигателем, летящем на высоте Н.