СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДВУМЕРНОГО РАДИОЛОКАЦИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТА ПРИ МНОГОЧАСТОТНОМ ИМПУЛЬСНОМ ЗОНДИРОВАНИИ И ИНВЕРСНОМ СИНТЕЗЕ АПЕРТУРЫ С УЧЕТОМ БЛИЖНЕЙ ЗОНЫ ЛОКАЦИИ Российский патент 2023 года по МПК G01S13/89 G01S13/90 G01S7/28 G01S7/40 

Изобретение относится к радиолокационной измерительной технике и может быть использовано, в частности, в радиолокационных компактных измерительных комплексах (стендах) с измерительными установками многочастотного импульсного зондирования, осуществляющих построение двумерных радиолокационных изображений (РЛИ) исследуемых объектов с помощью инверсного синтеза апертуры антенны.

Методы получения двумерного инверсно синтезируемого РЛИ объекта основаны на цифровой обработке комплексной огибающей отраженного от него сигнала, измеренного в широкой полосе частот зондирующих импульсов радиолокационной системы (РЛС) при различных ракурсах наблюдения вращающегося объекта.

Известен [Патент RU 2422851 С1 «Способ получения двумерного радиолокационного изображения объекта при многочастотном импульсном зондировании» МПК: G01S 13/89 (2006.01), 27.06.2011] способ получения двумерного радиолокационного изображения объекта в большом диапазоне изменения эффективных площадей рассеяния (ЭПР) локальных рассеивающих центров (РЦ) при многочастотном импульсном зондировании, включающий излучение импульсов с изменением несущей частоты ƒ от импульса к импульсу с шагом Δƒ в полосе частот ΔF, измерение частоты ƒ (t_nm) зондирующих импульсов в моменты времени t_nm, где n - номер шага перестройки частоты, m - номер повторного цикла перестройки, измерение в земной системе отсчета в моменты времени tnm координат центра антенны РЛС и координат выбранного центра синтезирования на объекте, измерение относительно земной системы отсчета угла наблюдения ψ(t_nm) связанной с объектом системы отсчета с началом в центре синтезирования, прием отраженных сигналов, измерение комплексных огибающих S(t_nm) отраженных сигналов, корректировку фазы измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов к расстоянию от центра антенны РЛС до центра синтезирования, запоминание измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов в течение времени синтезирования в угловом секторе, образование двумерной матрицы комплексных огибающих в координатах пространственных частот , и преобразование ее с помощью быстрого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу синтезированных откликов, определение величины порога по уровню первых боковых лепестков наиболее интенсивного отклика, сравнение величин откликов с порогом для выделения превышающих порог элементов матрицы, определение РЛИ объектов в виде совокупности выделенных элементов матрицы. Определение размера половины сектора углов наблюдения Δψ из условия равного разрешения по продольной Δz и поперечной Δx координатам, исходя из соотношения где , ƒ₀ - средняя частота в полосе перестройки:

где запоминание измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов в секторе углов наблюдения ±Δψ, занесение в элементы с номерами (n₁, m₁) двумерной матрицы комплексных огибающих значений, полученных для номера n₂ шага перестройки частоты и номера m₂ повторного цикла перестройки, где c - скорость света,

n₁=1,…,N₁, m₁=1,…,М₁,

N₁=L_z(maxƒ_z-minƒ_z), M₁=L_x(maxƒ_x-minƒx),

L_z, L_x - размеры области синтезирования РЛИ по продольной z и поперечной x координатам,

Данный способ синтезирования двумерных РЛИ объектов обеспечивает повышение разрешающей способности РЛИ и точности оценок ЭПР РЦ при расширении сектора углов наблюдения объекта пропорционально увеличению полосы перестройки частоты зондирования, что достигается за счет формирования матрицы комплексных огибающих в координатах пространственных частот. А именно: в силу билинейной связи значений пространственных частот и декартовых координат РЦ в записи фазы комплексных огибающих, линейный оператор Фурье преобразует отраженный сигнал из области пространственных частот в область декартовых координат без искажений при увеличении полосы перестройки частоты и сектора углов локации.

Данный способ взят в качестве прототипа.

Существенным недостатком описанного способа является то, что измерение комплексных огибающих отраженных сигналов должно выполняться в дальней зоне локации.

Использование компактных широкополосных измерительных стендов [Методы исследования радиолокационных характеристик объектов. Монография / Под ред. С.В. Ягольникова - М.: Радиотехника, 2012. С. 229] обеспечивает возможность проведения измерений комплексных огибающих отраженных сигналов в ближней зоне локации (зоне дифракции Френеля). Из-за квазисферического фронта волны и энергетического спада измерительного поля в ближней зоне локации получаемые при помощи прототипа двумерные РЛИ искажаются как по геометрической, так и по энергетической метрикам.

Измерительное поле - это область пространства, сформированная совместно диаграммами направленности передающей и приемной антенн РЛС, где размещается объект измерений.

На фигурах показаны результаты синтеза известным способом двумерных РЛИ объекта из девяти РЦ в дальней (фиг. 1) и ближней (фиг. 2) зонах локации. Отличия координат мест расположения и оценок ЭПР РЦ при измерении в ближней зоне достигают 20 см и 3 дБ, соответственно.

Предлагается способ, позволяющий устранить указанный недостаток.

Способ решает задачу получения двумерного неискаженного по геометрической и энергетической метрикам РЛИ объекта в ближней зоне локации.

Для решения указанной задачи предлагается способ получения двумерного РЛИ объекта при многочастотном импульсном зондировании и инверсном синтезе апертуры с учетом ближней зоны локации, включающий излучение импульсов несущей частоты ƒ, увеличиваемой от импульса к импульсу с шагом Δƒ в полосе частот ΔF, измерение частоты ƒ (t_nm) зондирующих импульсов в моменты времени t_nm, где n - номер шага перестройки частоты, m - номер повторного цикла перестройки, измерение в моменты времени t_nm, относительно земной системы отсчета угла наблюдения ψ(t_nm), определяемого углом поворота объекта вокруг выбранного центра синтезирования, прием отраженных сигналов, измерение комплексных огибающих S(t_nm) отраженных сигналов, определение размера половины сектора углов наблюдения Δψ из условия равного разрешения по продольной Δz и поперечной Δx координатам, запоминание измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов в течение времени синтезирования в угловом секторе ±Δψ, получение двумерной матрицы комплексных огибающих в координатах пространственных частот и ее преобразование с помощью быстрого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу синтезированных откликов s(x, z), где с - скорость света, x и z - декартовы координаты элементов этой матрицы, определение величины порога по уровню первых боковых лепестков наиболее интенсивного отклика, сравнение величин откликов с порогом для выделения превышающих порог элементов матрицы, определение РЛИ объекта в виде совокупности выделенных элементов матрицы.

Согласно изобретению, уточняют координаты элементов двумерной матрицы синтезированных откликов с учетом известного расстояния от центра антенны РЛС до центра синтезирования R₀: где и где получают уточненную матрицу , присваивая элементам матрицы синтезированных откликов с координатами значения элементов этой матрицы с координатами (x,z), в центр синтезирования, вместо объекта, устанавливают изотропно рассеивающий зонд, регистрируют значения мощности сигнала, отраженного от зонда и перемещают зонд в плоскости поворота объекта по окружностям с единым центром, совмещенным с центром синтезирования, изменяя радиус окружностей Р с равным шагом ΔP≤Δz=Δx до половины максимального размера объекта, определяют отношения значения мощности сигнала, отраженного от зонда в центре окружностей, к зарегистрированным значениям мощности сигнала при перемещении зонда, получают двумерную матрицу энергетического спада измерительного поля в полярной системе координат А(Р,ψ), элементы которой представляют собой коэффициенты спада измерительного поля по мощности относительно центра синтезирования, определяют декартовы координаты элементов матрицы энергетического спада измерительного поля , , умножают значение величины отклика в каждом элементе уточненной двумерной матрицы синтезированных откликов на находящийся на наиболее близком расстоянии коэффициент спада измерительного поля .

Технический результат изобретения, заключающийся в уточнении оценок координат мест расположения и ЭПР РЦ, достигается за счет коррекции геометрических и энергетических искажений на РЛИ, вызванных квазисферическим фронтом волны и энергетическим спадом поля при проведении измерений в ближней зоне локации.

Из приведенной совокупности существенных признаков предлагаемого способа следует, что общими с прототипом являются операции излучения зондирующих импульсов с увеличением несущей частоты от импульса к импульсу в полосе частот ΔF, измерения частоты ƒ (t_nm) зондирующих импульсов в моменты времени t_nm, измерения относительно земной системы отсчета угла наблюдения ψ(t_nm), определяемого углом поворота объекта вокруг выбранного центра синтезирования, приема отраженных сигналов, измерения комплексных огибающих отраженных сигналов, определения размера половины сектора углов наблюдения Δψ из условия равного разрешения по продольной Δz и поперечной Δx координатам, запоминания измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов в течение времени синтезирования в угловом секторе ±Δψ, получения двумерной матрицы комплексных огибающих и преобразования двумерной матрицы комплексных огибающих с помощью быстрого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу синтезированных откликов, определения величины порога по уровню первых боковых лепестков наиболее интенсивного отклика, сравнения величин откликов с порогом для выделения превышающих порог элементов матрицы, определения РЛИ в виде совокупности выделенных элементов матрицы и вычисления для них оценок координат и ЭПР.

Операции измерения с течением времени в земной системе отсчета координат центра антенны РЛС и координат выбранного центра синтезирования на объекте, а также корректировки фазы измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов к расстоянию от фазового центра антенны РЛС до центра синтезирования исключены как не требующиеся при измерении в ближней зоне локации на компактных широкополосных измерительных стендах, когда расстояние от фазового центра антенны РЛС до центра синтезирования РЛИ известно и не изменяется с течением времени.

Введены новые операции:

уточнение координат элементов двумерной матрицы синтезированных откликов с учетом известного расстояния от центра антенны РЛС до центра синтезирования;

получение уточненной матрицы синтезированных откликов ;

установка в центре синтезирования, вместо объекта, изотропно рассеивающего зонда;

регистрация значений мощности сигнала, отраженного от зонда, и его перемещение в плоскости поворота объекта по окружностям с единым центром, совмещенным с центром синтезирования и изменением радиуса окружностей Р с равным шагом ΔP≤Δz=Δx до половины максимального размера объекта;

определение отношения значения мощности сигнала, отраженного от зонда в центре окружностей, к зарегистрированным значениям мощности сигнала при перемещении зонда;

получение двумерной матрицы энергетического спада измерительного поля в полярной системе координат А(Р,ψ);

определение декартовых координат элементов матрицы энергетического спада измерительного поля;

умножение значения величины отклика в каждом элементе уточненной двумерной матрицы синтезированных откликов на находящийся на наиболее близком расстоянии коэффициент спада измерительного поля.

Новые операции изобретения по сравнению с прототипом позволяют уточнить оценки координат мест расположения и ЭПР РЦ на синтезируемом РЛИ при проведении измерений в ближней зоне локации.

Описание предлагаемого способа заключается в следующем.

В отличие от измерений в дальней зоне локации (прототип), при проведении измерений отраженного объектом сигнала в ближней зоне локации расстояние от фазового центра антенны до точки объекта с координатами (x, z) в связанной с объектом системе координат при повороте объекта на угол ψ (фиг. 3) изменяется в соответствии с выражением:

где R₀ - расстояние от центра антенны РЛС до центра синтезирования.

Известно (Mensa D.L. High Resolution Radar Cross-Section Imaging. Boston-London: Artech House. 1991. - P. 206.), что так как синтез изображения по поперечной координате выполняется за счет изменения угла локации объекта, то измеренный РЛС доплеровский сдвиг частоты (значение поперечной координаты элемента матрицы синтезированных откликов) находится в зависимости от изменения расстояния до точки, соотнесенного к приращению угла:

Из (1) и (2) получим:

Из выражения (3) значение поперечной координаты в дальней зоне локации (R₀→∞):

Из (1), (3) и (4) получим уточненное значение поперечной координаты элемента матрицы синтезированных откликов:

где x - измеренный доплеровский сдвиг в ближней зоне локации (значение поперечной координаты элемента матрицы синтезированных откликов).

Используя уточненное положение точки по поперечной координате получим выражение для уточнения координаты по дальности:

где .

Из геометрических соотношений (фиг. 4), определим дополнительное расстояние h для учета сферичности фронта волны в ближней зоне локации. Величину h найдем из подобия треугольников ЕВС и BCD:

Учитывая, что , , DC=h, определим:

Для соответствия измерениям в дальней зоне локации координата дальности каждого элемента матрицы синтезированных откликов должна быть дополнительно уточнена на величину h. Таким образом, из (5) и (6), получим итоговое выражение для определения уточненных координат дальности элементов матрицы синтезированных откликов:

Известно (Е.Н. Майзелъс, В.А. Торгованов. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей. М. Сов. радио, 1972 г. с. 106 и 107), что для оценки неравномерности энергетического распределения поля может быть использован пассивный отражатель-зонд, перемещающийся по окружности радиусом, равным половине максимального размера объекта. Это позволяет оценить влияние неравномерности энергетического распределения поля на результаты измерения, однако, не обеспечивает возможность ее учета для повышения точности измерений в ближней зоне локации.

Для учета неравномерности энергетического распределения измерительного поля в центр синтезирования, вместо объекта, установим изотропно рассеивающий зонд. Перемещая зонд в плоскости поворота объекта по окружностям с единым центром, совмещенным с центром синтезирования, изменяя радиус окружностей Р с равным шагом ΔP≤Δz=Δx до половины максимального размера объекта выполним измерения мощности отраженного от зонда сигнала (фиг. 5).

Определив отношения значения мощности сигнала, отраженного от зонда, в центре окружностей к зарегистрированным значениям мощности сигнала при перемещении зонда , получим двумерную матрицу энергетического спада измерительного поля в полярной системе координат с центром, совпадающим с центром синтезирования РЛИ:

Элементы данной матрицы представляют собой коэффициенты спада измерительного поля по мощности относительно центра синтезирования.

Определим декартовы координаты элементов матрицы энергетического спада измерительного поля:

x'=Psinψ, z'=Pcosψ

После чего, умножим значение величины отклика в каждом элементе уточненной двумерной матрицы синтезированных откликов на находящийся на наиболее близком расстоянии коэффициент спада измерительного поля:

Работоспособность предлагаемого способа проверена методом математического моделирования.

Для этого условия локации заданы следующим образом:

- зондирующие сигналы РЛС - импульсы с периодом повторения 20 мкс;

- несущая частота сигнала меняется от импульса к импульсу с шагом 2000/511 МГц в полосе частот от 9000 до 11000 МГц;

- объект равномерно вращается со скоростью 12%;

Модель объекта задана совокупностью неподвижных относительно связанной системы отсчета из девяти РЦ, которые расположены в виде квадрата по три РЦ в каждом вертикальном и горизонтальном ряду на расстоянии 1,5 м друг от друга. Уровни ЭПР заданных РЦ выбраны одинаковыми и равными в относительных единицах 40 дБ.

На фиг. 2 приведено двумерное РЛИ объекта, полученное согласно прототипу в ближней зоне локации на расстоянии 10 м от центра антенны РЛС до центра синтезирования. Погрешности оценок двух координат и ЭПР РЦ, находящихся в углах квадрата (на максимальном удалении от центра вращения), достигают 20 см и 3 дБ соответственно.

На фиг. 6 приведено двумерное РЛИ объекта, полученное предложенным способом в таких же условиях локации. В результате коррекции геометрических и энергетических искажений на РЛИ погрешности оценок двух координат и ЭПР всех РЦ не превышают 2 см и 0,5 дБ соответственно.

Сравнительный анализ полученных результатов показывает, что технический результат достигнут: устранены недостатки прототипа, обеспечено уточнение оценок координат мест расположения и ЭПР РЦ на РЛИ при проведении измерений в ближней зоне локации.

Изобретение относится к радиолокационной измерительной технике и может быть использовано, в частности, в радиолокационных компактных измерительных комплексах (стендах) с измерительными установками многочастотного импульсного зондирования, осуществляющих построение двумерных радиолокационных изображений (РЛИ) исследуемых объектов с помощью инверсного синтеза апертуры антенны. Технический результат – уточнение оценок координат мест расположения и эффективных площадей рассеяния (ЭПР) рассеивающих центров на РЛИ при проведении измерений в ближней зоне локации. В заявленном способе указанный результат достигается за счет уточнения координат элементов матрицы синтезированных откликов для компенсации геометрических искажений РЛИ с учетом известного расстояния от центра антенны радиолокационной системы до центра синтезирования, регистрации значений мощности сигнала, отраженного от изотропно рассеивающего зонда, установленного вместо объекта в центре синтезирования и перемещающегося по окружностям с изменяемым с равным шагом радиусом до половины максимального размера объекта, получения двумерной матрицы энергетического спада измерительного поля и уточнении с ее помощью значений откликов в каждом элементе двумерной матрицы синтезированных откликов. 6 ил.

Способ получения двумерного радиолокационного изображения объекта при многочастотном импульсном зондировании и инверсном синтезе апертуры с учетом ближней зоны локации, включающий излучение импульсов несущей частоты ƒ, увеличиваемой от импульса к импульсу с шагом Δƒ в полосе частот ΔF, измерение частоты ƒ (t_nm) зондирующих импульсов в моменты времени t_nm, где n - номер шага перестройки частоты, m - номер повторного цикла перестройки, измерение в моменты времени t_nm, относительно земной системы отсчета угла наблюдения ψ(t_nm), определяемого углом поворота объекта вокруг выбранного центра синтезирования, прием отраженных сигналов, измерение комплексных огибающих S(t_nm) отраженных сигналов, определение размера половины сектора углов наблюдения Δψ из условия равного разрешения по продольной Δz и поперечной Δх координатам, запоминание измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов в течение времени синтезирования в угловом секторе ±Δψ, получение двумерной матрицы комплексных огибающих в координатах пространственных частот , и ее преобразование с помощью быстрого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу синтезированных откликов s(x, z), где с - скорость света, x и z - декартовы координаты элементов этой матрицы, определение величины порога по уровню первых боковых лепестков наиболее интенсивного отклика, сравнение величин откликов с порогом для выделения превышающих порог элементов матрицы, определение радиолокационного изображения объекта в виде совокупности выделенных элементов матрицы, отличающийся тем, что уточняют координаты элементов двумерной матрицы синтезированных откликов с учетом известного расстояния от центра антенны РЛС до центра синтезирования R₀: где и где получают уточненную матрицу , присваивая элементам матрицы синтезированных откликов с координатами значения элементов этой матрицы с координатами (x, z), в центр синтезирования, вместо объекта, устанавливают изотропно рассеивающий зонд, регистрируют значения мощности сигнала, отраженного от зонда и перемещают зонд в плоскости поворота объекта по окружностям с единым центром, совмещенным с центром синтезирования, изменяя радиус окружностей Р с равным шагом ΔP≤Δz=Δx до половины максимального размера объекта, определяют отношения значения мощности сигнала, отраженного от зонда в центре окружностей, к зарегистрированным значениям мощности сигнала при перемещении зонда, получают двумерную матрицу энергетического спада измерительного поля в полярной системе координат А(Р,ψ), элементы которой представляют собой коэффициенты спада измерительного поля по мощности относительно центра синтезирования, определяют декартовы координаты элементов матрицы энергетического спада измерительного поля x'=Psinψ, z'=Pcosψ, умножают значение величины отклика в каждом элементе уточненной двумерной матрицы синтезированных откликов на находящийся на наиболее близком расстоянии коэффициент спада измерительного поля .