Способ имитации радиолокационных отражений от протяженных целей Российский патент 2024 года по МПК G01S7/40 

Предлагаемое изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для испытания радиолокационных станций (РЛС) различного назначения в лабораторных условиях.

В процессе разработки и производства современных РЛС в настоящее время широкое применение получило полунатурное моделирование, при котором размещенная в лаборатории РЛС осуществляет прием и обработку сформированных имитаторами сигналов, отраженных от смоделированного объекта радиолокации. Это позволяет существенно сократить затраты экономических и временных ресурсов на проверку функциональности как РЛС в целом, так и ее отдельных функциональных блоков.

Наиболее полным и достоверным является способ замещения радиолокационных отражений с применением комплексов полунатурного моделирования, обеспечивающих в режиме реального времени на апертуре РЛС электромагнитные поля с характеристиками, соответствующими отражениям от реального распределенного объекта радиолокации (РЛО). Такой подход считается наиболее полным и достоверным, так как позволяет осуществить испытания как антенной части РЛС, так и последующих блоков обработки сигналов. При имитации отражений от РЛО необходимо в реальном масштабе времени обеспечить ряд их свойств: форма доплеровского спектра, мощность отраженного сигнала, угловые шумы, поляризационные свойства, распределение мгновенных значений.

Известные способы имитации отражений от РЛО рассмотрены в работах Статистическая теория радиолокации протяженных целей. / Р.В. Островитянов, Ф.А. Басалов - М.: Радио и связь, 1982. - 232 с.; Рассеяние радиoвoлн на телах слoжнoй фoрмы./ Штагер Е.А. -М.: Радиo и связь, 1986. - 184 с., Малоточечная модель протяженного отражающего объекта/ А.В. Киселев, А.В. Никулин, С.В. Тырыкин// Доклады АН ВШ РФ. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2014. С.78-88; Математические модели сложных радиолокационных объектов на основе совокупности зависимых излучателей / С.В. Тырыкин // Материалы Всерос. науч.-практ. конф. «Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления» - Томск, 2002; Возможности позиционирования кажущегося центра излучения в трехточечном матричном имитаторе / М.А. Степанов, И.Ю. Калмыков, В.В. Дуркин // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Радиолокационная техника. 2014. №2. С.69-77; Замещение сложного радиолокационного объекта двухточечной моделью / А.В. Киселев, М.А. Степанов // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. - 2019. - №4. - С.99-105 и др.

Известные способы имитации отражений от РЛО, являющиеся аналогами предлагаемого изобретения и их реализации, представлены в US патент №6950057 «Complex radar target simulator», 2005; РФ патент №2386143, 2009; US патент №20090058715 «Methods and systems for generating virtual radar targets», 2009; РФ патент №2610837, 2016; РФ патент №2746751, 2021 и в ряде других. Содержание этих аналогов предлагаемого способа имитации радиолокационных отражений и реализующих их устройств состоит в следующем.

Современные комплексы полунатурного моделирования или имитаторы радиосигналов представляют собой жестко связанную систему излучающих антенн (матричный имитатор или МИ) и блока формирования сигналов. Формируемые сигналы подводятся к излучающей системе, излучаются и далее обрабатываются приемным устройством. В точке приема должны обеспечиваться следующие свойства и характеристики сформированных имитатором сигналов: мощность, распределение мгновенных значений, форма доплеровского спектра, флуктуации вследствие угловых шумов распределенного объекта. МИ размещается в дальней зоне антенны приемного устройства и формирует для нее кажущийся центр излучения (КЦИ), положение которого определяется комплексными амплитудами излученных сигналов согласно требованиям к характеристикам угловых шумов. Перемещение имитируемой цели осуществляется как электронным, так и механическим способом. Электронный способ является более предпочтительным, так как обеспечивает большую точность позиционирования КЦИ и меньшую сложность в изготовлении и применении комплекса полунатурного моделирования. МИ синтезируется на основе математической модели замещаемого РЛО, относящейся к одному из четырех видов.

Первый вид математических моделей - многоточечные. Такие модели замещают весь объект множеством малых отражающих объемов, каждый из которых является точкой модели. Имитируемое отражение от каждого их этих малых объемов имеет характеристики, соответствующие отражению от участка реального РЛО. Такие модели известны своей большой точностью, однако не применимы для полунатурного моделирования, так как для МИ на их основе могут потребоваться сотни и даже сотни тысяч излучающих антенн в пределах одного элемента разрешения РЛС, что налагает неприемлемые требования как к сложности изготовления комплекса полунатурного моделирования, так и к скорости работы имитатора в реальном масштабе времени. Поэтому в современных имитаторах применяются малоточечные модели РЛО, которые синтезируются на основе многоточечных и замещают только ту часть объекта, которая попала в элемент разрешения РЛС.

Второй вид моделей - малоточечные когерентные. Они излучают сигналы с коэффициентом взаимной корреляции, по модулю равным 1, формируют точечный КЦИ и, как правило, используются для моделирования только точечных целей. Применение сложных сигналов позволяет моделировать распределенный объект по точкам, одновременно формировать множество КЦИ вдоль базы модели, однако, это приводит к возрастанию требуемых вычислительных ресурсов и накладывает ограничения на работу МИ в реальном масштабе времени. Кроме того, когерентные модели очень чувствительны к неточности установки фаз излучаемых сигналов в точке приема, что приводит к необходимости строго соблюдать точность позиционирования всех механических компонент имитатора и приемной антенны РЛС с точностью до единиц миллиметров, а также к необходимости обеспечения контроля и компенсации возникающих отклонений в реальном времени.

Третий вид моделей - малоточечные некогерентные. Они излучают некоррелированные случайные процессы. Флуктуации формируемого таким способом КЦИ позволяют моделировать угловые шумы распределенных объектов. Некогерентные модели свободны от требований к точности обеспечения фаз излучаемых сигналов в точке приема. Однако некогерентные модели способны обеспечить значения параметров ПРВ угловых шумов только в ограниченном диапазоне, что приводит к необходимости увеличения используемого количества точек модели и, как следствие, излучающих антенн МИ, а также для некоторых моделей требуется механическая подвижность излучателей. Этот вид моделей и МИ на их основе являются наиболее современными.

Четвертый вид моделей - малоточечные частично когерентные. Они излучают коррелированные случайные процессы с коэффициентом взаимной корреляции, лежащем в диапазоне $$r\in \left(-1;0\right)\cup \left(0;1\right)$$. Частично когерентные модели обладают по сравнению с двумя другими видами определенными преимуществами. В сравнении с когерентными - имеют пониженные требования к фазировке излучаемых сигналов, способны формировать флуктуирующий КЦИ и замещать распределенный объект радиолокации. В сравнении с некогерентными - способны обеспечивать значения параметров ПРВ угловых шумов в более широком диапазоне. Это означает меньшее требуемое количество излучающих антенн в составе матричного имитатора: две вместно трех - для одномерных моделей и четыре вместо пяти или девяти - для двумерных моделей. Однако на данный момент практически не существует синтезированных частично когерентных моделей распределенных объектов радиолокации и матричных имитаторов, созданных на их основе.

Ближайшими аналогами предлагаемого способа имитации радиолокационных отражений являются способы, представленные в РФ патенте №2610837, 2016; РФ патенте №2746751, 2021.

Аналог, представленный в РФ патенте №2610837, основан на том, что применяют одномерные трехточечные некогерентные модели, а моделирование объекта радиолокации осуществляют путем формирования и излучения трех некоррелированных сигналов с заданными значениями мощности и корреляционных функций квадратурных компонент. Это определяет его недостатки.

1) Одномерность модели не позволяет контролировать значения параметров ПРВ угловых шумов замещаемого объекта вдоль двух независимых координат; так как все реальные радиолокационные распределены более, чем по одной координате, то способ, представленный в аналоге, не обеспечивает их достоверного моделирования.

2) Ограниченность диапазона обеспечиваемых значений параметров ПРВ угловых шумов, что позволяет получить значение параметра ширины ПРВ больше единицы только в случае вынесения одной из трех точек за пределы базы модели. Это существенно усложняет изготовление и эксплуатацию имитатора радиосигналов на основе такой модели.

Прототипом предлагаемого изобретения является способ имитации радиолокационных отражений, описанный в РФ патенте №2746751 «Способ имитации радиолокационных отражений», 2021. При этом способе формируют сигналы, представляющие собой наложение смоделированных эхо-сигналов от РЛО и зондирующего импульса РЛС.Способ наложения - свертка спектров. Смоделированные эхо-сигналы от РЛО являются некоррелированными случайными процессами с дисперсиями, соответствующими угловым шумам замещаемого РЛО для выбранного элемента дальности. Сформированные таким образом наложенные сигналы переносят на рабочую частоту и подводят к пяти излучателям. Четыре излучателя являются неподвижными и расположены в вершинах прямоугольника или в частном случае квадрата, пятый излучатель является подвижным и располагает внутри этого прямоугольника.

Такой способ имеет ряд существенных недостатков, присущих как некогерентным моделям в целом, так и выбору пятиточечной конфигурации.

1) Большее число излучающих антенн означает большую сложность в изготовлении МИ, в обеспечении требуемой скорости вычислений в режиме реального времени.

2) Ограниченность диапазона обеспечиваемых значений параметров ПРВ угловых шумов, что ограничивает возможности имитатора радиосигналов по моделированию объектов различных геометрических конфигураций: независимо регулировать положение центра объекта и его угловых размеров.

3) Пятиточечная конфигурация не способна обеспечить позиционирование КЦИ в любой точке в пределах базы модели - прямоугольника, в вершинах которого располагаются четыре неподвижных излучателя. Поэтому пятый, внутренний, излучатель изготавливается механически подвижным. Это усложняет изготовление излучающей системы, снижает точность позиционирования КЦИ, а также требует сложного обеспечения механической перестройки антенной системы в режиме реального времени, как правило, за время, равное периоду повторения зондирующего сигнала РЛС, что может составлять единицы миллисекунд.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого «Способа имитации радиолокационных отражений от протяженных целей» является уменьшение количества излучателей в составе системы, формирующей отражения от распределенных объектов радиолокации в реальном масштабе времени, и расширение диапазона возможных геометрических конфигураций моделируемых объектов.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе имитации радиолокационных отражений, в реальном масштабе времени осуществляют формирование электромагнитного поля на апертуре антенны исследуемого устройства, соответствующего отражениям от объемно-распределенного объекта, с учетом взаимного расположения и параметров движения носителя РЛС и моделируемого объекта, его отражающей способности, свойств формы и скорости движения составляющих его частей, углового шума. Формирование электромагнитного поля обеспечивают тем, что на рабочей частоте РЛС формируют четыре коррелированных сигнала с заданными спектральными свойствами, авто- и взаимными корреляционными функциями. Сумма этих сигналов является эхо-сигналом от замещаемого объекта, а их мощности и коэффициенты взаимной корреляции устанавливают на основе параметров распределения угловых шумов для двух угловых координат.Сигналы подводят к четырем неподвижным излучателям, расположенным в вершинах прямоугольника.

На фиг.1 показано расположение точек двумерной четырехточечной частично когерентной модели на плоскости.

На фиг.2 изображена структура комплекса полунатурного моделирования, реализующего предложенный способ имитации отражений от протяженных целей на основе системы излучателей коррелированных сигналов.

МИ синтезируется на основе четырехточечной частично когерентной модели. Ее точки (1)-(4) имеют координаты $${\xi }_1$$…$${\xi }_2$$ (фиг.1) соответственно и излучают коррелированные случайные процессы с дисперсиями $${\sigma }_1^2$$…$${\sigma }_2^2$$ и коэффициентами взаимной корреляции

Рассмотрим проекции точек модели на ортогональные оси координат OX и OY. Проекциями (фиг.1) четырехточечной частично когерентной модели (5) являются двухточечные частично когерентные модели (6)-(7), излучающие сигналы с дисперсиями

Значения дисперсий сигналов, излучаемых точками моделей-проекций, и коэффициенты их взаимной корреляции определяются на основе требуемых значений параметров ПРВ угловых шумов: $$m_{\xi }$$ - математическое ожидание, $${\mu }_{\xi }$$ - параметр, характеризующий ширину ПРВ.

где

$${\gamma }_x=\frac{{\sigma }_2}{{\sigma }_1}=\frac{{\sigma }_4}{{\sigma }_3}$$ ;

$${\gamma }_y=\frac{{\sigma }_1}{{\sigma }_3}=\frac{{\sigma }_2}{{\sigma }_4}$$ ;

$$r_x=r_{12}=r_{34}$$ ;

$$r_y=r_{13}=r_{24}$$ .

Решением системы уравнений (2) относительно параметров в системе (3) является

Результаты, полученные в виде системы (4), означают, что двумерная четырехточечная частично когерентная модель позволяет формировать угловые шумы и регулировать их параметры независимо вдоль двух ортогональных осей координат.

Алгоритм синтеза частично когерентной модели замещаемого РЛО можно представить в следующем виде.

1) Синтезируется многоточечная модель, замещающая распределенный объект множеством отражающих (излучающих) точек. Для каждой точки определяется мощность эхо-сигнала в точке приема (или отражательная способность фрагмента), среднее значение вектора отражателей в его составе и вектор СКО разброса их скоростей.

2) На основе многоточечной модели для каждого элемента разрешения по дальности вдоль линии визирования РЛС производится синтез малоточечной некогерентной геометрической модели: трехточечной неэквидистантной - для одномерного РЛО, пяти- или девятиточечной неэквидистантной - для двумерного РЛО.

3) Для каждой из синтезированных некогерентных моделей осуществляется переход к эквивалентной с точки зрения обеспечиваемых параметров ПРВ угловых шумов частично когерентной: от трехточечной некогерентной - к двухточечной частично когерентной; от пяти- или девятиточечной некогерентной - к четырехточечной частично когерентной. Мощности и матрица коэффициентов взаимной корреляции сигналов, излучаемых частично когерентной моделью, определяются по выражениям (1)-(4).

При наличии ранее синтезированной многоточечной или некогерентной модели объекта радиолокации соответствующий пункт алгоритма и все предыдущие пропускаются.

Структура комплекса полунатурного моделирования (фиг.2), реализующего этот алгоритм:

Слабонаправленные излучатели (1)-(4), расположенные соответственно точкам частично когерентной геометрической модели (5). Максимум диаграммы направленности антенн ориентирован в сторону приемной антенны испытуемой РЛС. Поляризация антенн имитатора совпадает с поляризацией антенны РЛС.

Блок формирования радиосигналов (6) осуществляет расчет отсчетов комплексных огибающих четырех сигналов, подводимых к излучателям, задание их мощностей и коэффициентов взаимной корреляции, их перенос на рабочую частоту РЛС и подведение к излучателям.

Испытуемая РЛС (7) осуществляет прием и обработку сформированных имитатором (6) и излученных антеннами (1-4) эхо-сигналов от моделируемого РЛО.

Информационный канал связи (8) позволяет имитатору получать информацию о режиме работы РЛС и о результатах моделирования.

Способ осуществляется следующим образом. От РЛС в имитатор эхо-сигналов поступает информация о текущем режиме работы и сигналы, обеспечивающие временную и частотную синхронизацию. После этого выполняется следующая последовательность действий:

Рассчитываются параметры эхо-сигналов от РЛО и его угловых шумов (форма доплеровского спектра, $$m_x$$, $$m_y$$, $${\mu }_x$$ и $${\mu }_y$$) с учетом взаимного расположения и параметров движения носителя РЛС и замещаемого объекта, характеристик диаграммы направленности антенны РЛС, параметров зондирующего сигнала (мощность, длительность, рабочая частота).

Далее рассчитываются мощности и корреляционные функции сигналов, подводимых к точкам либо пяти-, либо девятиточечной неэквидистантной некогерентной модели, обеспечивающей формирование угловых шумов РЛО, распределенного по двум угловым координатам, с требуемыми параметрами ПРВ и спектрально-корреляционными характеристиками;

На основе рассчитанных параметров сигналов некогерентной модели осуществляется расчет мощностей, коэффициентов взаимной корреляции, авто- и взаимных корреляционных функций четырех сигналов, подводимых к излучателям - точкам четырехточечной частично когерентной модели;

После этого, с учетом рассчитанных величин производят вычисление отсчетов комплексных огибающих (КО) четырех коррелированных сигналов, сумма которых является эхо-сигналом от распределенного объекта;

В итоге для рассчитанных КО формируют четыре радиочастотных сигнала, подводимых к излучающим антеннам (точкам модели). Все сигналы являются коррелированными нормальными случайными процессами с заданными мощностями, коэффициентами взаимной корреляции и спектрально-корреляционными свойствами.

Техническим результатом предлагаемого «Способа имитации радиолокационных отражений от протяженных целей» является уменьшение количества излучателей в составе системы, формирующей отражения от распределенных объектов радиолокации в реальном масштабе времени, и расширение диапазона возможных геометрических конфигураций моделируемых объектов.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для испытания радиолокационных станций (РЛС) различного назначения в лабораторных условиях. Техническим результатом является уменьшение количества излучателей в составе системы, формирующей отражения от распределенных объектов радиолокации в реальном масштабе времени, и расширение диапазона возможных геометрических конфигураций моделируемых объектов. В заявленном способе осуществляют формирование электромагнитного поля на апертуре антенны исследуемого устройства, соответствующего отражениям от объемно-распределенного объекта, с учетом взаимного расположения и параметров движения носителя РЛС, и моделируемого объекта, его отражающей способности, свойств формы и скорости движения составляющих его частей, углового шума в реальном масштабе времени. Требуемые характеристики электромагнитного поля обеспечивают формированием на рабочей частоте РЛС четырех коррелированных сигналов, подводимых к четырем неподвижным излучателям, расположенным в вершинах прямоугольника, с заданными спектральными свойствами, авто- и взаимными корреляционными функциями, сумма которых является эхо-сигналом от замещаемого объекта, а их мощности и коэффициенты взаимной корреляции устанавливают на основе параметров зондирующего импульса РЛС, свойств замещаемого объекта и распределения угловых шумов для двух угловых координат. 2 ил.

Способ имитации радиолокационных отражений от протяженных целей, заключающийся в том, что осуществляют формирование электромагнитного поля на апертуре антенны исследуемого устройства, соответствующего отражениям от объемно-распределенного объекта, с учетом взаимного расположения и параметров движения носителя РЛС и моделируемого объекта, его отражающей способности, свойств формы и скорости движения составляющих его частей, углового шума в реальном масштабе времени, требуемые характеристики электромагнитного поля для которых обеспечивают формированием на рабочей частоте РЛС четырех коррелированных сигналов, подводимых к четырем неподвижным излучателям, расположенным в вершинах прямоугольника, отличающийся тем, что требуемые параметры и характеристики сигналов, подводимых к излучателям, устанавливают по алгоритму, состоящему из следующих шагов: синтезируется многоточечная модель, замещающая распределенный объект множеством отражающих точек, для каждой из которых определяется мощность эхо-сигнала в точке приема, среднее значение вектора скоростей отражателей в его составе и вектор среднеквадратических отклонений разброса их скоростей, на основе многоточечной модели для каждого элемента разрешения по дальности вдоль линии визирования РЛС производится синтез малоточечной некогерентной геометрической модели – пяти- или девятиточечной неэквидистантной модели для двумерных радиолокационных объектов, для каждой из синтезированных некогерентных моделей осуществляется переход к эквивалентной с точки зрения обеспечиваемых параметров плотности распределения вероятности угловых шумов четырехточечной частично когерентной модели, для которой мощности, корреляционные функции квадратурных компонент и матрица коэффициентов взаимной корреляции сигналов определяются на основе одноименных параметров и характеристик исходной некогерентной модели, после этого производят вычисление отсчетов комплексных огибающих четырех коррелированных сигналов, сумма которых является эхо-сигналом от распределенного объекта, и для рассчитанных комплексных огибающих формируют четыре радиочастотных сигнала, подводимых к излучающим антеннам.