Способ однозначной первичной дальнометрии группы целей на фоне узкополосных пассивных помех в режиме высокой частоты повторения импульсов зондирующего сигнала Российский патент 2021 года по МПК G01S13/24 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технике первичных радиолокационных измерений импульсно-доплеровских (ИД) радиолокационных станций (РЛС) наземного (надводного) базирования при обнаружении группы движущихся воздушных объектов на фоне узкополосных пассивных помех и, в первую очередь, на фоне интенсивных отражений от подстилающей земной (водной) поверхности, местных предметов и малоподвижных метеообразований. Область применения предлагаемого способа - радиолокационные информационно-измерительные системы импульсно-доплеровского типа различного назначения.

Уровень техники

Современные ИД РЛС характеризуются возникновением неоднозначности при измерении дальности до обнаруживаемых воздушных объектов [1, 2, 3, 4]. Для устранения неоднозначности первичных измерений дальности требуется производить неоднократное зондирование объектов квазинепрерывными сигналами (КНС) с разной частотой повторения импульсов (ЧПИ) с обработкой замеров неоднозначных временных задержек полезных эхо-сигналов способом нониусных частот, способом, основанным на китайской теореме об остатках, способом максимального правдоподобия и др. [1, 2, 3, 4]. Принцип однозначного измерения дальности до обнаруживаемых воздушных объектов указанными способами справедлив при условии, что полезные эхо-сигналы не попадут в один канал дальности и один доплеровский фильтр, т.е. цели разрешаемы как по скорости, так и по угловым координатам. В противном случае в каждом из зондирований будет производиться не один, а несколько замеров времени запаздывания сигнала, соответствующих количеству обнаруженных объектов. Такая ситуация влечет появление аномальных комбинаторных ошибок измерения дальности [4].

В [3] рассмотрен комбинированный способ измерения дальности, который заключается в последовательном зондировании сигналами в отсутствии и с вводом линейной частотной модуляции (ЛЧМ). Измеренная неоднозначная дальность с помощью временных стробов в первом цикле зондирования уточняется до однозначной с помощью пересчитываемого в дальность частотного смещения сигнала с ЛЧМ, измеряемого во втором цикле зондирования. Достоинством данного способа является отсутствие вышеотмеченных аномальных ошибок измерения дальности при обнаружении целей, неразрешаемых по угловым координатам и скорости [3, 4].

Однако, комбинированный способ измерения дальности характеризуется недостаточной помехоустойчивостью в условиях маскирования целей пассивными помехами (ПП) высокой интенсивности и, в первую очередь, при работе по радионадгоризонтным летательным аппаратам с приземными трассами прохождения локационных сигналов [4]. Отмеченный недостаток связан с особенностями получения оценок дальности до целей при использовании сигналов с ЛЧМ и обусловлен наличием частотного сдвига, соизмеримого с доплеровской добавкой частоты, у сигналов, отраженных от подстилающей поверхности и неподвижных местных предметов.

Таким образом, вышерассмотренные способы не обеспечивают эффективной однозначной дальнометрии группы неразрешаемых по угловым координатам и скорости целей при воздействии пассивных помех.

Раскрытие сущности изобретения

Технической задачей, решаемой разработанным способом, является повышение помехоустойчивости первичной дальнометрии не разрешаемых по углу и скорости распределенных по дальности группы целей на фоне узкополосных ПП при использовании выбранного в качестве прототипа комбинированного способа измерения дальности.

Техническим результатом, обеспечивающим решение поставленной технической задачи, является нейтрализация фактора маскирования полезных эхо-сигналов помеховыми, обусловленного отражениями от подстилающей поверхности и местных предметов при использовании ЛЧМ несущей частоты зондирующего КНС. Отмеченный технический результат обеспечивается применением алгоритма адаптации к складывающейся воздушной и помеховой обстановке, который заключается в выборе оптимальных параметров закона частотной модуляции КНС с ЛЧМ и вида оконной функции, используемой для весовой обработки эхо-сигналов.

Поиск решения задачи определения оптимальных параметров закона частотной модуляции зондирующего сигнала основан на использовании известных аналитических моделей двумерных автокорреляционных функций КНС рассматриваемых типов. С их помощью произведено вычисление уровней нормированной мощности профильтрованных помеховых сигналов для двух типов КНС - при наличии и в отсутствии ЛЧМ [5, 6]:

где ρ(τ, ƒ) - функция неопределенности сигнала с учетом применяемой весовой обработки, ƒ - рассогласование по частоте; τ - рассогласование по времени.

Установлено, что зависимость разности мощностей помехи для зондирующих КНС и КНС с ЛЧМ от крутизны линейной частотной модуляции имеет отрицательные экстремумы для значений аргумента, кратных квадрату частоты повторения импульсов. Это можно объяснить тем, что при таких значениях крутизны линейной частотной модуляции положения локальных максимумов функций рассогласования данных сигналов совпадают. Установка в зондирующем сигнале любой величины крутизны линейной частотной модуляции из множества значений, соответствующих отрицательным экстремумам, может применяться для снижения уровня помехи на выходе корреляционно-фильтровых каналов радиоприемного устройства. Определение оптимального значения из этого множества основано на поиске минимума мощности помехи методом полного перебора. Проведенный поиск показал, что оптимальное значение крутизны ЛЧМ прямо связано с частотой повторения импульсов зондирующего сигнала:

В соответствии с [5] для максимального разнесения спектров полезного сигнала и пассивной помехи оптимальное значение частоты повторения импульсов зондирующего сигнала определяется выражением:

где ƒ_д - доплеровская добавка частоты.

Также рассмотрена возможность дополнительного снижения уровня нормированной мощности воздействующей помехи за счет оптимизации вида оконной функции, используемой для весовой обработки эхо-сигналов. При решении данной задачи учитывались следующие особенности. Так, рассматриваемый способ устранения неоднозначности измерений дальности предусматривает последовательное зондирование двумя разными типами сигналов: КНС и КНС с ЛЧМ, соответственно. В связи с этим, для обеспечения требуемых показателей качества обнаружения сигналов в процессе устранения неоднозначности измерений дальности, уровень мощности помехи для зондирующего сигнала с ЛЧМ должен быть равен или ниже, чем для КНС. Этому условию удовлетворяет ряд весовых оконных функций, в том числе и весовая оконная функция Ханна, применение которой, в связи с высокой скоростью спада боковых лепестков, обеспечивает минимальный уровень мощности помехи на выходе устройства фильтровой обработки в области доплеровских частот.

Таким образом, сущность изобретения заключается в изменении известного комбинированного способа измерения дальности путем добавления алгоритма адаптации к складывающейся воздушной и помеховой обстановке параметров закона частотной модуляции зондирующего квазинепрерывного сигнала и вида весовой оконной функции.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется рисунками, представленными на фиг. 1 и 2, раскрывающими принципы параметрической оптимизации КНС и применения весовой оконной функции, физику и закономерности линейно-сдвиговой деформации функции неопределенности (ФН) КНС при вводе ЛЧМ несущей частоты.

На фиг. 1 а) приведены контуры областей высокой корреляции двумерной ФН КНС и КНС с ЛЧМ без установки оптимальных параметров закона частотной модуляции, при этом, в отличие от КНС, наблюдается отсутствие свободной от пассивных помех зоны в области доплеровских частот. На фиг. 1 б) показан эффект смещения локальных максимумов ФН КНС с ЛЧМ при установке оптимальных параметров закона частотной модуляции сигнала, что обеспечивает нейтрализацию маскирующего влияния отражений от подстилающей поверхности в области доплеровских частот (поиска полезного сигнала).

Графики функции, характеризующей частотно-скоростную избирательность корреляционно-фильтрового приемника ИД РЛС в отсутствии (сплошная) и при наличии ЛЧМ несущей (пунктирная) при использовании КНС рассматриваемых типов для случая установки неоптимальных, оптимальных параметров закона частотной модуляции и при введении весовой оконной обработки функцией Ханна приведены на фиг. 2 а), 2 б) и 2 в) соответственно.

Осуществление изобретения

Заявленный способ первичных дальностных измерений характеризуется следующей очередностью последовательно выполняемых операций в измерительном цикле зондирования:

- демодуляция КНС с использованием ЛЧМ гетеродинного сигнала;

- многоканальное стробирование демодулированного КНС;

- внутриканальная (в каждом канале стробирования КНС) частотная режекция помеховых эхо-сигналов нулевой доплеровской частоты;

- противопомеховая оконная весовая обработка отрежектированной реализации;

- многоканальная доплеровская фильтрация КНС, в процессе которой производится спектральный анализ КНС;

- пороговая обработка и регистрация сигналов превышения первичного энергетического порога;

- оценка частотно-временных сдвигов полезных эхо-сигналов обнаруженных целей, пересчитываемых в искомые однозначные оценки дальности до обнаруженных воздушных объектов в следующем порядке:

где m - количество периодов, соответствующее времени запаздывания,

ent - операция взятия наименьшего целого от частного, - оценка разностной частоты, - оценка частоты Доплера, Т_п, F_п - период и частота следования импульсов соответственно, - неоднозначная оценка времени запаздывания.

Предлагаемый способ верифицирован, технически реализуем и обеспечивает недоступную для аналогов и прототипа возможность помехоустойчивой оперативной первичной однозначной дальнометрии обнаруженных целей с применением КНС с ЛЧМ.

Изобретение реализовано на ПЭВМ в виде математической имитационно-стохастической модели ИД РЛС. Результаты проведенных численных модельных экспериментов подтверждают работоспособность и реализуемость помехоустойчивой оперативной дальнометрии обнаруживаемых ИД РЛС целей на фоне мощных ПП с локально-сосредоточенным энергетическим спектром.

Изобретение может быть применено в ИД РЛС для решения задач взятия на сопровождение (низкоточного трассового либо высокоточного с использованием замкнутой следящей системы) обнаруживаемых целей в условиях пассивных помех с локально-сосредоточенным энергетическим спектром, и прежде всего, в условиях воздействия интенсивных маскирующих отражений от подстилающей поверхности, местных предметов и малоподвижных метеообразований.

Список используемой литературы

1. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника, т. 3 М.: Сов. радио. 1979. (с. 383, 369).

2. Справочник по радиолокации / Под ред. М.И. Сколника. Пер. с англ. Под общей ред. B.C. Вербы. В 2 книгах. Книга 1. М.: Техносфера, 2015. (с. 207…211, 186).

3. Оценивание дальности и скорости в радиолокационных системах. Часть 1. Под редакцией А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова - М.: «Радиотехника», 2004, (с. 259…263, 271…274, 255…257).

4. Трухачев А.А. Радиолокационные сигналы и их применение. - М.: Воениздат. 2005, (с. 234…240, 241…261).

5. Ч. Кук, М. Бернфельд. Радиолокационные сигналы. Теория и применение. Перевод с английского под редакцией B.C. Кельзона. М.: Сов. радио 1971, (С. 90…91, 245…250, 374…383).

6. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника, т. 1. М.: Сов. радио. 1976, (с. 143, 150…154).

Использование: изобретение относится к технике первичных дальностных измерений импульсно-доплеровских (ИД) радиолокационных станций (РЛС). Сущность: применяют алгоритм адаптации к складывающейся воздушной и помеховой обстановке параметров закона частотной модуляции квазинепрерывного сигнала с ЛЧМ и вида оконной функции, используемой для весовой обработки эхо-сигналов. Благодаря этому обеспечивается типовая для ИД РЛС эффективная доплеровская селекция целей на фоне пассивных помех с возможностью их первичной дальнометрии за один-два цикла зондирования с точностью, соизмеримой с точностью дальностных измерений известными способами. Технический результат: нейтрализация фактора маскирования полезных эхо-сигналов помеховыми отражениями от подстилающей поверхности и местных предметов при использовании линейной частотной модуляции (ЛЧМ) несущей частоты в целях эффективной однозначной дальнометрии комбинированным способом. 2 ил.

Способ однозначной первичной дальнометрии группы целей на фоне узкополосных пассивных помех в режиме высокой частоты повторения импульсов зондирующего сигнала, при котором осуществляют прием и обработку сигналов, заключающийся в том, что осуществляют последовательное зондирование двумя разными типами сигналов: квазинепрерывным сигналом (КНС) и КНС с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), соответственно, при этом в измерительном цикле зондирования импульсно-доплеровской радиолокационной станции производится демодуляция КНС с использованием ЛЧМ гетеродинного сигнала, многоканальное стробирование демодулированного КНС, внутриканальная частотная режекция помеховых эхо-сигналов нулевой доплеровской частоты в каждом канале стробирования КНС, противопомеховая оконная весовая обработка отрежектированной реализации, многоканальная доплеровская фильтрация КНС, в процессе которой производится спектральный анализ КНС, пороговая обработка и регистрация сигналов превышения первичного энергетического порога, оценка частотно-временных сдвигов полезных эхо-сигналов обнаруженных целей, пересчитываемых в искомые однозначные оценки дальности до обнаруженных воздушных объектов, при этом в процессе устранения неоднозначности измерений дальности соблюдают условие, при котором уровень мощности помехи для зондирующего сигнала с ЛЧМ равен или ниже, чем для КНС, то есть применяют алгоритм адаптации к складывающейся воздушной и помеховой обстановке, который заключается в выборе оптимальных параметров закона частотной модуляции КНС с ЛЧМ и вида оконной функции, используемой для весовой обработки эхо-сигналов.