СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ДВИЖУЩИХСЯ ОБЪЕКТОВ ПАССИВНОЙ СИСТЕМОЙ ПРИЕМНИКОВ СОВМЕСТНО С РАДИОМЕТРОМ Российский патент 2022 года по МПК G01S3/80 

Изобретение относится к многопозиционным пассивным системам обнаружения движущихся объектов. Система состоит из нескольких взаимно ориентированных радио-, оптических или акустических приемников, совмещенных с радиометром и принимающих сигналы отражения или излучения от быстро движущихся объектов.

Для обнаружения и нахождения пространственных координат движущихся объектов на малых дальностях (несколько сотен метров или километров) используют стереопары приемников, определяющие дальности до источников излучения на основе измеренных угловых координат, например [1]. Также определяют координаты вектора скорости в системе позиционирования приемников на основе сопряжения векторов направлений на источники сигналов [2] или доплеровской обработки сигнала от движущегося объекта [3]. Однако точность оценок пространственных координат, полученных в таких системах, бывает недостаточна. Для повышения точности оценок в стереопарах приемников используют дополнительную информацию об амплитуде принимаемого сигнала [4].

Вместе с тем амплитуда радио-, оптического или акустического сигнала не отражает такую важную характеристику объекта, как его радиояркостную температуру [5], связанную с физическими свойствами объекта. Для изучения и обнаружения объекта на основе радиояркостной температуры используют радиометры миллиметрового диапазона длин волн [6]. Для этого линию визирования антенны радиометра (биссектрису ее диаграммы направленности) направляют в сторону объекта и накапливают сигнал излучения от него.

Проблема применения радиометра для обнаружения движущегося объекта состоит в том, что, в отличие от других приемников, радиометрические приемники обладают большим временем накопления сигнала (от долей секунды до секунды). Практическое применение радиометров миллиметрового диапазона длин волн ограничивается неподвижными объектами, например, при формировании их радиояркостного изображения путем сканирования линии визирования антенны в растровом (телевизионном) режиме [7].

Возникает необходимость разработки способа, позволяющего использовать радиометр в радио-, оптических или акустических системах обнаружения движущихся объектов с учетом их радиояркостной температуры.

Рассмотрим в качестве прототипа следующий способ нахождения пространственных координат объектов в пассивных системах видения [4], который заключается в следующем.

1. Располагают n приемников (n≥2) с определенным положением линий визирования k-х приемников по отношению к первому, ориентацией k-х приемников матрицей P_k поворота осей координат и базовым вектором b_k, соединяющим центры систем координат первого и k-го приемников. Измеряют угловые координаты источников сигналов и на их основе определяют орты a_k(i_k) векторов i_k-x направлений на источники в k-х приемниках ( m_k - число источников, найденных в k-м приемнике).

2. Осуществляют перебор неповторяющихся вариантов соединения ортов Для каждого варианта вычисляют вектор оценок дальностей до объектов r₁ (i₁), r_k (i_k) по формуле

отвечающей критерию минимума квадрата нормы ошибок сопряжения

где e_k - вектор ошибок сопряжения векторов M_l(i₁)=r_i(i₁)a_l(i₁) и M_k(i_k)=r_k(i_k)P_ka_k(i_k), взятых в системе координат 1-го приемника; Т -символ транспонирования;

3. Последовательно выбирают m неповторяющихся вариантов соединения ортов с наименьшими суммарными показателями

где J получается из (2) подстановкой вместо r₁, r_k их оценок найденных по формуле (1); u₁(i₁), u_k(i_k) - амплитуды сигналов, принятых с направлений a₁(i₁), a_k(i_k); μ₁>0, μ₂>0 - весовые коэффициенты (μ₁+μ₂=1); m- количество обнаруженных объектов (вариантов).

4. Для выбранных вариантов вычисляют пространственные координаты объектов М₁(s)=r₁(i_1s)a₁(i_1s), в системе первого приемника.

Данный способ обладает следующим недостатком. Способ не позволяет в радио-, оптической или акустической системах наблюдения за движущимся объектом, совмещенных с радиометром, учитывать вместе с амплитудой сигнала радиояркостную температуру объекта. Потому что, в отличие от вычислительных операций, выполняемых в указанных системах со скоростью вычислительного процессора, операции в радиометрическом приемнике задерживаются из-за необходимости накопления сигнала. За время накопления сигнала движущийся объект уходит с выбранного направления.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанного недостатка, а именно, позволяет использовать радиометр для дополнительного измерения радиояркостной температуры движущегося объекта.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа обнаружения движущихся объектов пассивной системой приемников совместно с радиометром, который заключается в размещении нескольких n приемников (n≥2), взаимной ориентации приемников относительно первого приемника, приема сигналов от объектов, определении на основе принятых сигналов оценок дальностей и показателей сопряжения векторов направлений на объекты, выборе неповторяющихся вариантов соединения векторов и вычислении оценок пространственных координат обнаруженных объектов, отличающийся тем, что совмещают с первым приемником радиометр, находят векторы скоростей обнаруженных объектов в системе координат первого приемника, ранжируют объекты по степени важности в зависимости от дальности и направления вектора скорости и в порядке ранжирования находят упрежденное положение каждого объекта, затем осуществляют перевод линии визирования антенны радиометра с угловой скоростью движения объекта по траектории в направлении упрежденного положения и измеряют радиояркостную температуру объекта за время его перемещения в упрежденное положение, после чего повторно вычисляют показатели сопряжения векторов направлений на объекты с учетом измеренных радиояркостных температур и выполняют операции обнаружения объектов и оценивания их координат.

Алгоритмически способ осуществляют следующим образом.

1. Размещают n приемников (n≥3), ориентированных относительно первого приемника, и принимают в них сигналы отражения или излучения от движущихся объектов. Совмещают с первым приемником радиометр с управляемой антенной.

2. На первом этапе обработки принятых сигналов вычисляют оценки дальностей (1) и показатели сопряжения векторов направлений на объекты (2) с выбором неповторяющихся вариантов соединения векторов. Тем самым обнаруживают m объектов в момент времени и находят векторы оценок их пространственных координат

3. Вычисляют векторы скорости V_i, обнаруженных объектов в системе координат первого приемника. Поиск векторов скорости осуществляют по совокупности ортов векторов направлений на объекты, найденных в разные моменты времени [2], или на основе доплеровской обработки принятых сигналов [3]. Ранжируют объекты по степени важности в зависимости от дальности и направления вектора скорости.

4. В порядке ранжирования находят упрежденное положение каждого объекта в виде вектора экстраполированных координат на момент времени t_i+τ_i, где τ_i - длительность промежутка времени, необходимого для вывода линии визирования радиометра в упрежденную точку , и осуществляют перевод линии визирования антенны радиометра с угловой скоростью движения объекта по траектории (относительно радиометра) в направлении Для этого определяют угол между ортами векторов направлений на текущее и экстраполированное положения объекта (с помощью скалярного произведения векторов) и делят угол на время движения объекта из текущего в упрежденное положение. Принимается прямолинейное движение объекта за время накопления сигнала радиометром, не превышающее секунды или долей секунды.

5. Измеряют с помощью радиометра радиояркостную температуру объекта за время его перемещения в упрежденное положение и запоминают. Повторяют подобные операции измерения радиояркостной температуры для каждого объекта в порядке ранжирования.

6. На втором этапе обработки сигналов вновь вычисляют показатели сопряжения векторов направлений на объекты с выбором неповторяющихся вариантов соединения векторов, включая в состав показателя (3) третье слагаемое, учитывающее радиояркостную температуру t:

7. Повторяют операции обнаружения объектов и оценивания их пространственных координат. Возможно траекторное сопровождение [8].

Заключение. Применение предложенного способа позволяет повысить вероятность обнаружения всех объектов (уменьшить вероятностью ошибок первого и второго рода) и повысить точность оценивания пространственных координат объектов пассивной системой приемников при их совместной работе с радиометром. Способ может быть использован в существующих радио-, оптических или акустических многопозиционных пассивных системах пеленгации объектов.

Литература

1. Патент RU 2719631. Способ определения пространственных координат движущегося объекта пассивной радиосистемой / В.К. Клочко. 21.04.2020.

2. Патент RU 2729459. Способ определения пространственных координат и скоростей объектов сканирующей многопозиционной радиосистемой / Клочко В.К. 06.08.2020.

3. Патент RU 2743896. Способ определения вектора скорости объекта многопозиционной доплеровской системой / Клочко В.К. 01.03.2021.

4. Патент RU 2722232. Способ нахождения пространственных координат объектов в пассивных системах видения / В.К. Клочко. 28.05.2020.

5. Шарков Е.А. Радитепловое дистанционное зондирование Земли: физические основы: в 2 т./ Т. 1. М: РЖИ РАН, 2014. 544 с.

6. Пассивная радиолокация: методы обнаружения объектов / Под ред. Р.П. Быстрова и А.В. Соколова. М: Радиотехника, 2008. 320 с.

7. Патент RU 2648270. Способ наблюдения за объектами с помощью радиометра с двумя антеннами / В.К. Клочко. 23.03.2018.

8. Патент RU 2681519. Способ определения траекторий движения объектов в радиометрической системе видения / В.К. Клочко. 07.03.2019.

Использование: изобретение относится к многопозиционным пассивным системам обнаружения движущихся объектов. Сущность: система состоит из нескольких взаимно ориентированных радио-, оптических или акустических приемников, совмещенных с радиометром и принимающих сигналы отражения или излучения от быстро движущихся объектов. Дополнительно учитывает радиояркостную температуру объектов, измеряемую с помощью совмещенного радиометра путем перемещением линии визирования его антенны в направлении экстраполированных положений объектов. Способ может быть использован в существующих многопозиционных пассивных системах пеленгации объектов. Технический результат: повышение вероятности обнаружения всех объектов за счет уменьшения вероятности ошибок первого и второго рода, а также повышение точности оценивания пространственных координат объектов пассивной системой приемников при их совместной работе с радиометром.

Способ обнаружения движущихся объектов пассивной системой приемников совместно с радиометром, заключающийся в размещении нескольких n приемников (n≥2), взаимной ориентации приемников относительно первого приемника, приеме сигналов от объектов, определении на основе принятых сигналов оценок дальностей и показателей сопряжения векторов направлений на объекты, выборе неповторяющихся вариантов соединения векторов и вычислении оценок пространственных координат обнаруженных объектов, отличающийся тем, что совмещают с первым приемником радиометр, находят векторы скоростей обнаруженных объектов в системе координат первого приемника, ранжируют объекты по степени важности в зависимости от дальности и направления вектора скорости и в порядке ранжирования находят упрежденное положение каждого объекта, затем осуществляют перевод линии визирования антенны радиометра с угловой скоростью движения объекта по траектории в направлении упрежденного положения и измеряют радиояркостную температуру объекта за время его перемещения в упрежденное положение, после чего повторно вычисляют показатели сопряжения векторов направлений на объекты с учетом измеренных радиояркостных температур и выполняют операции обнаружения объектов и оценивания их координат.