Способ сопровождения вертолета в импульсно-доплеровской радиолокационной станции Российский патент 2022 года по МПК G01S13/52 

Изобретение относится к области вторичной обработки радиолокационных (РЛ) 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 РЛС.

Известен способ сопровождения вертолета в импульсно-доплеровской РЛС, 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 (где k=1,…,К; К - общее количество отсчетов дискретного времени) дискретный момент времени определяется отсчет 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, одновременно 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 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, 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 [2].

Недостатком данного способа сопровождения является невозможность с его помощью обеспечить бессрывное сопровождение вертолета. Это обусловлено тем, что во-первых, в случае отсутствия или незначительного приращения доплеровской частоты, обусловленной скоростью сближения вертолета с РЛС, во-вторых, ввиду флюктуаций сигнала, отраженного от фюзеляжа вертолета и вращающихся лопастей его несущего винта, а также при большом удалении вертолета от облучаемой его РЛС, возможны ситуации, когда амплитуда А_ф спектральной составляющей сигнала, отраженного от фюзеляжа вертолета, и амплитуды спектральных составляющих сигнала, отраженного от вращающихся лопастей несущего винта вертолета, не будут превышать установленные пороги соответственно U₁ и U₂, что приведет также к срыву сопровождения вертолета.

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

Для достижения цели в способе сопровождения вертолета в импульсно-доплеровской РЛС, заключающимся 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, подвижных частей его силовой установки 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 одновременно с определением отсчетов F_ф доплеровских частот в каждый k-й дискретный момент времени определяются отсчеты F_cy спектральной составляющей с амплитудой А_су, превысившей второй порог U₂, но не превысившей первый порог U₁ и соответствующие отражениям сигнала от подвижных частей силовой установки вертолета, при этом величина второго порога U₂ в n раз меньше величины первого порога U₁, осуществляется фильтрация во втором фильтре сопровождения полученных последовательных в дискретном времени отсчетов F_cy доплеровских частот, соответствующих отражениям сигнала от подвижных частей силовой установки вертолета, определяются отсчеты доплеровских частот F_i (где i=1,…,I; I - общее количество амплитуд спектральных составляющих, обусловленных отражениями РЛ сигнала от вращающихся лопастей несущего винта вертолета), превысивших третий порог U₃, но не превысивших первый U₁ и второй U₂, за исключением спектральных составляющих с амплитудами А_ф и А_су, при этом величина третьего порога U₃ в m раз меньше величины второго порога U₂, вычисляется один отсчет F_э доплеровской частоты, соответствующий энергетическому центру отражений сигнала от лопастей несущего винта вертолета, осуществляется фильтрация в третьем 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 фюзеляжа вертолета, при наличии отсчетов F_cy 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 подвижных частей его силовой установки, при наличии отсчетов F_i доплеровских частот спектральных составляющих, превысивших третий порог U₃ и не превысивших первый U₁ и второй U₂ пороги на выходе формируется оценка доплеровской частоты с выхода третьего фильтра сопровождения вертолета по отражениям сигнала от лопастей его несущего винта.

Новыми признаками, обладающими существенными отличиями, являются.

1. Логика трехпорогового формирования отсчетов доплеровских частот в амплитудно-частотном спектре радиолокационного сигнала, отраженного от фюзеляжа вертолета, его силовой установки и вращающихся частей несущего винта, с последующей их фильтрацией в соответствующих фильтрах.

2. Логика выбора оценки доплеровской частоты в зависимости от результата анализа трехпорогового формирования отсчетов доплеровских частот в амплитудно-частотном спектре радиолокационного сигнала, отраженного от фюзеляжа вертолета, его силовой установки и вращающихся частей 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 фиг. 1 приведена блок-схема, поясняющая предлагаемый способ сопровождения вертолета в импульсно-доплеровской РЛС, на фиг. 2 (а, б, в, г, д, е) - эпюры, поясняющие процесс бессрывного сопровождения вертолета.

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

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

С выхода блока 1 БПФ (фиг. 1) на первые входы пороговых устройств 2, 3 и 4 поступают соответственно значения амплитуд А_ф, А_су и A_i, а на их вторые входы - соответственно значения порогов U₁, U₂ и U₃. Причем значение порога U₂ в n раз меньше значения порога U₁, а значение U₃ в m раз меньше значения порога U₂.

В каждый k-й дискретный момент времени на выходе первого порогового устройства 2 определяется отсчет F_ф доплеровской частоты (фиг. 2в) спектральной составляющей с амплитудой А_ф, превысившей первый порог U₁ и соответствующий отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, который подается (фиг. 1) на вход первого фильтра 5 сопровождения. В результате на его выходе формируется оценка доплеровской частоты, которая поступает на первый вход анализатора 6.

Одновременно определяются отсчеты F_cy спектральной составляющей с амплитудой А_су, превысившей второй порог U₂, но не превысившей первый порог U₁, и соответствующие отражениям сигнала от подвижных частей силовой установки вертолета (фиг. 2г), которые подаются (фиг. 1) на вход второго фильтра 7 сопровождения. В результате на его выходе формируется оценка доплеровской частоты, которая поступает на второй вход анализатора 6.

Одновременно определяются отсчеты F_i с амплитудами A_i, превысивших третий порог U₃ и не превысившие второй порог U₂, которые соответствуют отражениям сигнала от лопастей несущего винта вертолета (фиг. 2д), которые поступают на вход вычислителя 8 энергетического центра, куда также поступают значения амплитуд А_ф и А_су. В результате на выходе вычислителя 8 энергетического центра вычисляется один отсчет F_э доплеровской частоты (фиг.2е), который подается на вход третьего фильтра 9 (фиг. 1) сопровождения, на его выходе которого формируется оценка доплеровской частоты по отражениям сигнала от лопастей его несущего винта. Данная оценка поступает на третий вход анализатора 6.

На выходе анализатора 6 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 5 сопровождения вертолета по отражениям сигнала от его фюзеляжа.

При наличии отсчетов F_cy доплеровских частот спектральных составляющих, превысивших второй порог U₂ и не превысивших первый порог U₁ на выходе анализатора 6 формируется оценка доплеровской частоты с выхода второго фильтра 7 сопровождения вертолета по отражениям сигнала от подвижных частей его силовой установки.

При наличии отсчетов F_i доплеровских частот спектральных составляющих, превысивших третий порог U₃ и не превысивших первый порог U₁ и второй порог U₂ на выходе анализатора 6 формируется оценка доплеровской частоты с выхода третьего фильтра 9 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 3-5 раз превышает амплитуды А_су спектральных составляющих сигнала, отраженного от подвижных частей силовой установки вертолета, и 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 3-5 раз величины порога U₁, а величина порога U₃ 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 F₃ доплеровской частоты (фиг. 2е), соответствующий энергетическому центру отражений сигнала от лопастей несущего винта вертолета 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. 2728278 Российская Федерация, МПК G01S 13/52 (2020.02). Способ сопровождения вертолета в импульсно-доплеровской радиолокационной станции [Текст] / Горбунов С.А., Богданов А.В., Бедрицкий А.И., Голубенко В.А., Кучин А.А, Миронович С.Я.; 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). - №2019143724/19; заявл. 23.12.2019; опубл. 29.07.2020, Бюл. №22. - 2 с.: ил. (прототип).

Изобретение относится к способу сопровождения вертолета в импульсно-доплеровской радиолокационной станции (РЛС). Для сопровождения вертолета сигнал, отраженный от вертолета на промежуточной частоте в импульсно-доплеровской радиолокационной станции, подвергают узкополосной доплеровской фильтрации на основе процедуры быстрого преобразования Фурье и преобразуют в амплитудно-частотный спектр, составляющие которого обусловлены отражениями сигнала от фюзеляжа вертолета, подвижных частей его силовой установки и вращающихся лопастей его несущего винта, определенным образом осуществляют фильтрацию доплеровских частот и формируют их оценку. Обеспечивается бессрывное сопровождение вертолета в импульсно-доплеровской РЛС. 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, подвижных частей его силовой установки 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_cy спектральной составляющей с амплитудой А_су, превысившей второй порог U₂, но не превысившей первый порог U₁, и соответствующие отражениям сигнала от подвижных частей силовой установки вертолета, при этом величина второго порога U₂ в n раз меньше величины первого порога U₁, осуществляется фильтрация во втором фильтре сопровождения полученных последовательных в дискретном времени отсчетов F_cy доплеровских частот, соответствующих отражениям сигнала от подвижных частей силовой установки вертолета, определяются отсчеты доплеровских частот F_i, где i=1,…,I; I - общее количество амплитуд спектральных составляющих, превысивших третий порог U₃, но не превысивших первый U₁ и второй U₂, за исключением спектральных составляющих с амплитудами А_ф и А_су, при этом величина третьего порога U₃ в m раз меньше величины второго порога U₂, вычисляется один отсчет F₃ доплеровской частоты, соответствующий энергетическому центру отражений сигнала от лопастей несущего винта вертолета, осуществляется фильтрация в третьем 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 фюзеляжа вертолета, при наличии отсчетов F_cy 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 подвижных частей его силовой установки, при наличии отсчетов F_i доплеровских частот спектральных составляющих, превысивших третий порог U₃ и не превысивших первый U₁ и второй U₂ пороги, на выходе формируется оценка доплеровской частоты с выхода третьего фильтра сопровождения вертолета по отражениям сигнала от лопастей его несущего винта.