Способ моноимпульсного измерения радиальной скорости объектов Российский патент 2023 года по МПК G01S13/44 G01S13/58 

Изобретение относится к области радиолокации, и может быть использовано в импульсно-доплеровских радиолокационных станциях для измерения параметров движения высокоскоростных воздушных объектов.

Известен способ измерения радиальной скорости объекта V_R, заключающийся в обнаружении объекта и измерении дальностей D₁ и D₂ до него последовательно в двух периодах обзора радиолокационной станции (РЛС) и последующем вычислении радиальной скорости объекта (Педак, A.M. Справочник по основам радиолокационной техники / A.M. Педак, П.И. Баклашов, Л.Л. Барвинский и др.; Под ред. В.В. Дружинина. - Военное изд-во, 1967. - 768 с.; с. 544). При этом первое измерение дальности до объекта D₁ производится в пространственном элементе разрешения по дальности, в котором произошло первое обнаружение объекта. Второе измерение дальности до объекта D₂ осуществляется на следующем обзоре при следующем обнаружении объекта, то есть через время Δt, равное периоду обзора Т₀. Радиальная скорость объекта вычисляется по формуле:

Недостатками данного способа являются низкая точность измерения радиальной скорости, обусловленная неизбежными ошибками измерения дальности, а также большое требуемое время для определения радиальной скорости, соизмеримое с периодом обзора РЛС зоны обнаружения.

Известен способ измерения радиальной скорости объекта, основанный на эффекте Доплера (Коростелев, А.А. Теоретические основы радиолокации. Учебное пособие для вузов / А.А. Коростелев, Н.Ф. Клюев, Ю.А. Мельник, и др.; Под ред. В.Е. Дулевича. - М.: Сов. Радио, 1978. - 608 с.; с. 239, с. 241-242). Способ заключается в излучении зондирующего сигнала на частоте ƒ₀, приеме отраженного от объекта сигнала, измерении частоты принятого сигнала ƒ и вычислении радиальной скорости объекта по формуле:

где с - скорость света.

Недостаток способа обусловлен тем, что при измерении дальности и радиальной скорости выполнить условия однозначного измерения данных параметров РЛС совместно становится невозможным.

Наиболее близким устройством по технической сущности является способ (Пат. №2552102. Российская федерация. МПК G01S 13/34, G01S 13/58. Устройство моноимпульсного измерения радиальной скорости объектов / П.Н. Хазов, О.В. Родионов, В.А. Коротков, И.В. Чеботарь, С.И. Андронов, А.Н. Ганиев - 2014107277/07; заявл. 25.02.2014; опубл. 10.06.2014; бюл. №16), при котором формируют зондирующий сигнал U₁(t) в виде радиоимпульса длительностью τ с линейной частотной модуляцией высокочастотной составляющей, формируют опорный сигнал U₁(t)U₁(τ_з-t) (где τ_з<τ), измеряют частоту биений ƒ_б1 опорного сигнала, по которой оценивают скорость изменения частоты зондирующего сигнала γ₁=ƒ_б1/τ_з, излучают зондирующий сигнал в пространство и принимают сигнал U₂(t), обнаруживают сигнальную составляющую, в процессе приема сигналов формируют сигнал измерительного канала U₂(t)U₂(τ_з-t), осуществляют измерение частоты биения ƒ_б2 сигнала измерительного канала, по которой оценивают скорость изменения частоты сигнала измерительного канала γ₂=ƒ_б2/τ_з, вычисляют радиальную скорость цели по формуле

где с - скорость света в вакууме.

Данный способ позволяет оценивать радиальную скорость объекта после излучения зондирующего импульса и приема одного отраженного сигнала, что принципиально. Т.е. необходимое время для измерения радиальной скорости как минимум больше паузы между излученным зондирующим и принятым импульсами.

Недостаток прототипа заключается в том, что, согласно этому способу, регистрацию низкочастотных биений осуществляют при помощи системы фазовой автоподстройки частоты, обладающей большой инерционностью. При этом синхронизацию системы фазовой автоподстройки выполняют в течение короткого промежутка времени равного длительности ответного импульса. Кроме того, согласно прототипу, предполагается, что измерение частоты биений выполняют также за достаточно короткие промежутки времени, что невозможно сделать с высокой точностью. Эти факторы являются источниками существенных случайных и систематических ошибок при измерении радиальной скорости.

Технической проблемой, на решение которой направлено предполагаемое изобретения являются существенные случайные и систематические ошибки измерения радиальной скорости, обусловленные инерционностью системы фазовой автоподстройки, а также большие временные затраты на измерение параметров относительно низкочастотных колебаний.

Для решения указанной технической проблемы предлагается способ моноимпульсного измерения радиальной скорости объектов, при котором формируют зондирующий сигнал в виде радиоимпульса, излучают зондирующий сигнал в пространство и принимают сигнал, обнаруживают сигнальную составляющую, вычисляют радиальную скорость цели.

Согласно изобретению используют радиоимпульсы с гармоническим высокочастотным заполнением, причем длительность зондирующих импульсов выбирают кратной периоду промежуточной частоты и частоты дискретизации, преобразуют принимаемый сигнал в последовательность цифровых отсчетов, из последовательного потока отсчетов с помощью скользящего окна длительностью, равной длительности зондирующего импульса, формируют блоки данных, в момент обнаружения заднего фронта радиоимпульса, взвешивают отсчеты текущего блока данных с помощью оконного преобразования Бартлетта, вычисляют амплитуды ближайших боковых спектральных составляющих |C_k-1|, |C_k+1| относительно основной спектральной составляющей |C_k|, соответствующей промежуточной частоты, на основании которых вычисляют значение искомой радиальной скорости по формуле:

где ν_k - приведенная частота основной спектральной составляющей;

ƒ_d, ƒ₀ - частота дискретизации и несущая частота соответственно;

с, - скорость света;

- приведенная частота, соответствующая точному положению гармоники на оси частот, при этом

где N - количество дискретных отсчетов в блоке данных.

Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие отличительные признаки и последовательность его реализации от способа-прототипа, которые приведены в таблице 1.

Из представленной таблицы 1 сравнения последовательностей реализации способа-прототипа и предлагаемого способа видно, что введены следующие новые операции:

- преобразуют принимаемый сигнал в последовательность цифровых отсчетов сигналов;

- из последовательного потока отсчетов с помощью скользящего окна длительностью, равной длительности зондирующего импульса, формируют блоки данных;

- взвешивают отсчеты текущего блока данных с помощью оконного преобразования Бартлетта;

- вычисляют амплитуды ближайших боковых спектральных составляющих |C_k-1|, |C_k+1| относительно основной спектральной составляющей |C_k|, соответствующей промежуточной частоты;

- вычисляют приведенную частоту

где

где N - число отсчетов в блоке данных

и изменены режимы двух операций:

- формируют зондирующий сигнал в виде радиоимпульса с гармоническим высокочастотным заполнением;

- вычисляют радиальную скорость цели по формуле

где ƒ_d, ƒ₀ - частота дискретизации и несущая частоты соответственно;

с - скорость света в вакууме.

Введение пяти новых операций и изменение режимов двух операций позволяет, по сравнению со способом-прототипом, обеспечить достижение следующего технического результата

- обеспечить требуемую точность измерения радиальной скорости;

- существенно снизить время, затрачиваемой на одно измерение.

Проведенный анализ технических решений позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют в известных источниках из уровня техники, что указывает на соответствие заявляемого способа условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Изобретение поясняется графическими фигурами 1÷3.

На фиг. 1 показана схема устройства, реализующего предлагаемый способ;

На фиг. 2 приведен спектр преобразованных данных F[U^*] и спектральное окно Бартлетта W(ν) при отсутствии доплеровского частотного сдвига (ƒ_D=0);

На фиг. 3 приведен спектр преобразованных данных F[U^*] и спектральное окно Бартлетта W(ν) при частотном доплеровском сдвиге не равном нулю (ƒ_D≠0).

При реализации предлагаемого способа моноимпульсного измерения радиальной скорости объектов выполняется следующая последовательность действий:

- формируют зондирующий сигнал в виде радиоимпульса с гармоническим высокочастотным заполнением - 1;

- излучают зондирующий сигнал в пространство - 2;

- принимают сигнал - 3;

- преобразуют принимаемый сигнал в последовательность цифровых отсчетов сигналов - 4;

- из последовательного потока отсчетов с помощью скользящего окна длительностью, равной длительности зондирующего импульса, формируют блоки данных; - 5;

- обнаруживают сигнальную составляющую - 6;

- взвешивают отсчеты текущего блока данных с коэффициентами оконного преобразования Бартлетта - 7;

- вычисляют амплитуды ближайших боковых спектральных составляющих |C_k-1|, |C_k+1| относительно основной спектральной составляющей |C_k|, соответствующей промежуточной частоты - 8;

- вычисляют приведенную частоту

где

- вычисляют радиальную скорость цели по формуле

где ƒ_d, ƒ₀ - частота дискретизации и несущая частоты соответственно;

с - скорость света в вакууме - 10.

Структурная схема устройства, осуществляющего Способ моноимпульсного измерения радиальной скорости объектов, приведена на фиг. 1 (возможный вариант выполнения).

Устройство по фиг. 1 содержит:

- цифровой приемник 1;

- преобразователь данных 2;

- обнаружитель сигнальной составляющей 3

- узел оконного преобразования 4;

- узел вычисления спектральных составляющих 5;

- вычислитель радиальной скорости 6.

Представленный на фиг. 1 вариант устройства, реализующего предлагаемый способ моноимпульсного измерения радиальной скорости объектов, функционирует следующим образом. Принятый цифровым приемником 1 ответный радиосигнал переносится на промежуточную частоту и оцифровывается, при этом образующаяся непрерывная цифровая последовательность, с цифрового приемника 1 поступает на вход преобразователя данных 2, где с помощью скользящего окна длительностью равной длительности зондирующего импульса формируют блоки данных, которые последовательно друг за другом направляют на входы обнаружителя сигнальной составляющей 3. По заднему фронту обнаруженного радиоимпульса обнаружитель сигнальной составляющей 3 направляет текущий блок данных на входы узла оконного преобразования 4, где каждый временной отсчет данных этого блока умножают на соответствующий оконный коэффициент. Полученную, таким образом, новую совокупность блока данных направляют на входы узла вычисления спектральных составляющих 5, где вычисляют амплитуды ближайших боковых спектральных составляющих |C_k-1|, |C_k+1| по отношению к основной спектральной составляющей C_k, которая соответствует промежуточной частоты. Результаты вычислений направляют на входы вычислителя радиальной скорости 6, который на основании этих расчетов определяет значение искомой радиальной скорости.

Предлагаемое устройство может быть реализовано как на элементах высокой степени интеграции, так и программным путем.

Рассмотрим обоснование предлагаемого способа моноимпульсного измерения радиальной скорости объектов. Проблема увеличения точности определения радиальной скорости объекта решена благодаря использованию синхронного режима работы, при котором зондирующие радиоимпульсы формируют с длительностью τ, кратной периоду сигнала промежуточной частоты . После оцифровки сигнала промежуточной частоты и выделения блока данных, принадлежащих ответному импульсу

где U_i - отсчеты данных, i - текущий номер данных, i=0…N-1, τ=NΔt;

ƒ_p, ƒ_D - промежуточная частота и частота Доплера соответственно;

Δt - временной дискрет;

N - количество дискретных отсчетов в блоке данных;

ϕ - произвольная фаза,

данные подвергают преобразованию путем умножения каждого дискретного отсчета блока данных на соответствующий оконный коэффициент оконного преобразования Бартлетта:

где - временное окно Бартлетта (Дворкович, В.П. Оконные функции для гармонического анализа сигналов / В.П. Дворкович, А.В. Дворкович. - М.: Техносфера, 2014. - 112 с., с. 24.)

Спектральное окна Бартлетта имеет вид:

где ν - текущая приведенная частота;

ν₀ - приведенная частота, соответствующая точному положению гармоники на оси частот.

На фиг. 2 приведен спектр преобразованных данных F[U^*] и спектральное окно Бартлетта W(ν) при отсутствии доплеровского частотного сдвига (ƒ_D=0).

Как известно, спектральное окно отслеживает положение основной гармоники на оси частот. В данном случае спектральное окно располагается симметрично относительно основной спектральной составляющей, т.е. положение гармоники и спектральной составляющей на оси частот совпадают. Боковые спектральные составляющие равны по амплитуде и, в силу симметрии спектрального окна, одинаково соотносятся со значениями огибающей спектрального окна в этих же точках на оси частот.

Если частота Доплера не равна нулю, то, как это видна на фиг. 3, положение основной гармоники не будет совпадать с положением основной спектральной составляющей и симметрия боковых спектральных составляющих нарушается, но соотношения между боковыми спектральными составляющими и значениями огибающей спектрального окна сохранятся.

Основываясь на этом можно записать:

где |C_k-1|, |C_k+1| - амплитудные значения боковых спектральных составляющих.

После подстановки соотношения (2) в (3) получаем:

Искомая приведенная частота ν₀ может быть найдена как

где g^-1(…) - функция обратная функции

Радиальная скорость может быть рассчитана по формуле

где ν_k - приведенная частота основной спектральной составляющей;

ƒ_d - частота дискретизации;

K - коэффициент коррекции (при точном выражении для обратной функции g^-1(…) K=1).

В процессе расчетов удобно руководствоваться нижеследующими рекомендациями. Для ускорения процесса расчетов амплитудные значения боковых спектральных составляющих |C_k-1| и |C_k+1| следует определять по формулам:

В подкоренном выражении соотношения (5) в числитель дроби нужно подставлять всегда большее по амплитуде значение, а в знаменатель - меньшее. При этом знак радиальной скорости определять по положению большей по амплитуде боковой спектральной составляющей относительно основной центральной. Если большая |C_k+1|, то объект приближается. Если большая - объект удаляется. Такой порядок расчета позволяет устранять неоднозначность в расчетах по формуле (5). К сожалению, в аналитическом виде обратную функцию (5) определить сложно, поэтому следует применять ее аппроксимацию по заранее насчитанным данным с использованием соотношения (6). Например, для этого можно использовать кубическую сплайн-аппроксимацию. Так как любой вид аппроксимации предполагает наличие ошибок, то в процессе расчетов по формуле (7) может быть обнаружена систематическая ошибка. Ошибка будет тем меньше, чем выше качество аппроксимации. Свести к минимуму систематическую ошибку можно также с помощью корректирующего коэффициента K, используемого в соотношении (7). Коэффициент может быть получен по результатам математического моделирования, либо по результатам натурных опытных испытаний. Если ошибка аппроксимации мала, то коэффициент K будет равен единице и, следовательно, в расчетах его учитывать не надо.

Для иллюстрации достигаемого технического эффекта в таблице 2 приведены результаты моделирования, выполненные в среде MathCad.

Потенциальная систематическая ошибка при измерении радиальной скорости классическим методом на основе эффекта Доплера при немодулированном сигнале согласно источника (Коростелев, А.А. Теоретические основы радиолокации. Учебное пособие для вузов / А.А. Коростелев, Н.Ф. Клюев, Ю.А. Мельник, и др.; Под ред. В.Е. Дулевича. - М.: Сов. Радио, 1978. - 608 с.; с. 239) составляет:

При радиальной скорости V_R=2000 м/с она будет равна: δV_R=1,33⋅10^-2 м/с. Расчетное значение абсолютной ошибки при отношении сигнал/шум 165 дБ равно VR-Vr=5,37⋅10^-2 м/с, т.е. при большом отношении сигнал/шум абсолютная и средне-квадратическая ошибки (σ=9,4⋅10^-2 м/с), полученные расчетным путем, близки к потенциальной систематической ошибке. Способ содержит всего три расчетных соотношения, которые нужно выполнять в реальном масштабе времени, он не содержит матричные операции и вычислительные операции, совершаемые в циклах. Поэтому время, необходимое для поиска радиальной скорости по этому способу, по предварительной оценке для вычислителя средней мощности не превысит нескольких микросекунд, т.е соизмеримо с длительностью зондирующего импульса. Тем более, если весь цикл расчетов будет выполняться с помощью устройств, выполненных на элементах высокой степени интеграции. Таким образом, в сравнении с прототипом, достигнуто существенное сокращение времени, затрачиваемое на процесс измерения радиальной скорости. При том, что точность измерения, как минимум, не хуже чем реализуемая прототипом, т.к. ошибка измерения по заявленному способу близка к потенциальной систематической ошибке. Следовательно, заявленный технический эффект - обеспечение необходимой точности и снижения временных затрат достигается.

Список использованных источников

1. Педак, А.М. Справочник по основам радиолокационной техники / A.M. Педак, П.И. Баклашов, Л.Л. Барвинский и др.; Под ред. В.В. Дружинина. - Военное изд-во, 1967. - 768 с.; с. 544;

2. Коростелев, А.А. Теоретические основы радиолокации. Учебное пособие для вузов / А.А. Коростелев, Н.Ф. Клюев, Ю.А. Мельник, и др.; Под ред. В.Е. Дулевича. - М.: Сов. Радио, 1978. - 608 с.; с. 239, с. 241-242;

3. Теоретические основы радиолокации / Под ред. В.Е. Дулевича. - М.: Сов. Радио, 1964. - 608 с.;

4. Пат. №2552102. Российская федерация. МПК G01S 13/34, G01S 13/58 Устройство моноимпульсного измерения радиальной скорости объектов / П.Н. Хазов, О.В. Родионов, В.А. Короткое, И.В. Чеботарь, С.И. Андронов, А.Н. Ганиев - 2014107277/07; заявл. 25.02.2014; опубл. 10.06.2014; бюл №16;

5. Дворкович, В.П. Оконные функции для гармонического анализа сигналов / В.П. Дворкович, А.В. Дворкович. - М.: Техносфера, 2014. - 112 с.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в импульсно-доплеровских радиолокационных станциях для измерения параметров движения высокоскоростных воздушных объектов. Технический результат заключается в сокращении времени, затрачиваемого на процесс измерения радиальной скорости. В заявленном способе используют радиоимпульсы с гармоническим высокочастотным заполнением, причем длительность зондирующих импульсов выбирают кратной периоду промежуточной частоты и частоты дискретизации. Принимаемый сигнал преобразуют в последовательность цифровых отсчетов, из которой с помощью скользящего окна длительностью, равной длительности зондирующего импульса, формируют блоки данных. В момент обнаружения заднего фронта радиоимпульса взвешивают отсчеты текущего блока данных с помощью оконного преобразования Бартлетта. Затем вычисляют амплитуды ближайших боковых спектральных составляющих |C_k-1|, |C_k+1| относительно основной спектральной составляющей |C_k|, соответствующей промежуточной частоте, на основании которых вычисляют значение радиальной скорости. 3 ил., 2 табл.

Способ моноимпульсного измерения радиальной скорости объектов, состоящий в том, что формируют зондирующий сигнал в виде радиоимпульса, излучают зондирующий сигнал в пространство и принимают сигнал, обнаруживают сигнальную составляющую, вычисляют радиальную скорость цели, отличающийся тем, что используют радиоимпульсы с гармоническим высокочастотным заполнением, причем длительность зондирующих импульсов выбирают кратной периоду промежуточной частоты и частоты дискретизации, преобразуют принимаемый сигнал в последовательность цифровых отсчетов, из последовательного потока отсчетов с помощью скользящего окна длительностью, равной длительности зондирующего импульса, формируют блоки данных, в момент обнаружения заднего фронта радиоимпульса, взвешивают отсчеты текущего блока данных с помощью оконного преобразования Бартлетта, вычисляют амплитуды ближайших боковых спектральных составляющих |C_k-1|, |C_k+1| относительно основной спектральной составляющей |C_k|, соответствующей промежуточной частоте, на основании которых вычисляют значение искомой радиальной скорости по формуле:

где ν_k - приведенная частота основной спектральной составляющей;

ƒ_d, ƒ₀ - частота дискретизации и несущая частота соответственно;

с - скорость света;

- приведенная частота, соответствующая точному положению гармоники на оси частот, при этом

где N - количество дискретных отсчетов в блоке данных.