СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДВУМЕРНОГО РАДИОЛОКАЦИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТА ПРИ МНОГОЧАСТОТНОМ ИМПУЛЬСНОМ ЗОНДИРОВАНИИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЙ ВОССТАНОВЛЕНИЕ АМПЛИТУДЫ И ФАЗЫ ОТРАЖЕННОГО СИГНАЛА Российский патент 2024 года по МПК G01S13/89 

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

Получение РЛИ объекта основано на цифровой обработке комплексной огибающей отраженного от объекта сигнала, измеренного в широкой полосе частот зондирующих импульсов ИУ при различных ракурсах наблюдения.

Комплексная огибающая отраженного от объекта сигнала имеет вид:

где А - амплитуда отраженного сигнала, R - расстояние от измерительной установки до объекта, ƒ - частота зондирующего сигнала, ϕ₀ - скачок фазы, возникающий при отражении от объекта, π=3,141592…

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 РЛИ объекта в большом диапазоне изменения эффективной площади 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 цикла перестройки частоты, измерение в земной системе отсчета в моменты времени t_nm координат центра антенны ИУ и координат выбранного центра синтезирования на объекте, измерение относительно земной системы отсчета угла наблюдения ψ(t_nm) между строительной осью объекта и направлением излучения (приема) сигнала, прием отраженных сигналов, измерение комплексных огибающих S(t_nm) отраженных сигналов, корректировку фазы измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов к расстоянию от центра антенны ИУ до центра синтезирования, запоминание измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов в течение времени синтезирования в угловом секторе ±Δψ, формирование 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 (Δψ) сектора углов наблюдения из условия равного разрешения по продольной Δz и поперечной Δх координатам, исходя из соотношения , где ƒ₀ - средняя частота в полосе перестройки, , , 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 цикла перестройки частоты, где

,

n₁=1,…, N1, m₁=1,…, М_1,

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

L_z, L_x - размеры области синтезирования РЛИ

по продольной z и поперечной х координатам,

,

с - скорость света,

Указанный способ взят в качестве прототипа.

Одним из направлений использования РЛИ объектов на практике является определение координат и уровня отражений локальных РЦ элементов конструкции объекта и неустраненных источников фоновых отражений. Это дает возможность разработать предложения по противорадиолокационной маскировке объекта, а также по снижению погрешности оценки значений его ЭПР (А.С.Грибков, B.C. Грибков, С.И. Моряков, Д.А. Слухаева «Способ экспериментального определения вкладов отражений от элементов конструкции объектов по их радиолокационным изображениям», - СПб.: Труды Военно-космической академии им. А.Ф. Можайского, №670, 2019, С. 105-110).

Для оценки эффективности предложений по противорадиолокационной маскировке объекта и устранения фоновых отражений требуется исключить или снизить уровень отражений отдельных РЦ на его РЛИ, после чего восстановить отраженный от объекта сигнал.

Известен (С.И. Моряков, С.М. Нестеров, П.Н. Скоков, И.А. Скородумов «Способ корректировки диаграмм обратного рассеяния радиолокационного объекта при исключении или снижении уровня отражений от элементов его конструкции», - М.: Журнал радиоэлектроники, №6, 2020, С. 7-9) способ корректировки диаграмм ЭПР объекта при помощи набора его одномерных РЛИ по дальности. Под диаграммой ЭПР и диаграммой фазы объекта далее понимаются зависимости квадрата амплитуды и фазы отраженного от объекта сигнала (1), соответственно, от угла наблюдения и частоты зондирования. Данный способ позволяет восстановить скорректированные диаграммы ЭПР объекта, однако, его использование при исследовании отражений от реальных объектов существенно ограничено из-за невозможности определения на одномерных РЛИ объекта источников отражений от нескольких элементов его конструкции и фоновых отражений, находящихся на одной дальности.

Это ограничение снимается применением способа-прототипа, однако, предусмотренное в прототипе определение оптимального количества элементов N₁ и М₁ для формирования двумерной матрицы комплексных огибающих в координатах пространственных частот исходя из области синтезирования двумерного РЛИ L_z и L_x, приводит к потере более половины зарегистрированных отсчетов отраженного от объекта сигнала, неиспользуемых при получении его РЛИ.

Кроме того, в прототипе операции определения величины порога по уровню первых боковых лепестков наиболее интенсивного отклика, сравнения величин откликов с порогом для выделения превышающих порог элементов матрицы синтезированных откликов и определения РЛИ объекта в виде совокупности выделенных элементов матрицы также приводят к безвозвратной потере зарегистрированных отсчетов отраженного от объекта сигнала.

В результате диаграммы ЭПР объекта восстанавливаются в искаженном виде, а восстановление диаграмм фазы в принципе невозможно. Это не позволяет оценить характеристики ЭПР объекта с приемлемой для практики погрешностью (не более 3 дБ), что является существенным недостатком прототипа.

На фиг. 1 показана схема проведения на открытом радиолокационном измерительном комплексе (РИК) измерений вращающегося в горизонтальной плоскости вокруг точки 0 (центра синтезирования) металлического цилиндра с длиной образующей 1 м и диаметром основания (d) 0,3 м для синтеза его РЛИ. Двумерное РЛИ цилиндра полученное согласно прототипу в частотном диапазоне 12750…17250 МГц и угловом секторе ±9,7° от нормали к его образующей представлено на фиг. 2.

В результате измерений была получена двумерная матрица комплексных огибающих в координатах частоты зондирования и угла локации размером 1024 на 512 элементов. Для синтеза РЛИ цилиндра согласно прототипу была использована матрица комплексных огибающих в координатах пространственных частот размером 63 на 78 элементов. На фиг. 3 приведено сравнение измеренной диаграммы ЭПР цилиндра (а) и восстановленной из его РЛИ согласно в прототипу диаграммы ЭПР (б) в зависимости от угла локации на частоте 15000 МГц.

Результаты показывают, что на восстановленной диаграмме ЭПР цилиндра не сохраняется лепестковая структура. Погрешность оценки максимальных и медианных значений ЭПР цилиндра в секторе ±5° от нормали к его образующей достигает 15 дБ и 4 дБ соответственно. Диаграммы фазы цилиндра не восстанавливаются в принципе.

Задачей изобретения является снижение погрешности определения ЭПР объекта по восстановленным из его двумерного РЛИ диаграммам ЭПР и фазы.

Для решения задачи изобретения предлагается способ получения двумерного РЛИ объекта при многочастотном импульсном зондировании, обеспечивающий восстановление амплитуды и фазы отраженного сигнала, который включает 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 цикла перестройки частоты, измерение в земной системе отсчета в моменты времени t_nm координат центра антенны ИУ и координат выбранного центра синтезирования на объекте, измерение относительно земной системы отсчета угла наблюдения ψ(t_nm) между строительной осью объекта и направлением излучения (приема) сигнала, прием отраженных сигналов, измерение комплексных огибающих S(t_nm) отраженных сигналов, корректировку фазы измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов к расстоянию от центра антенны ИУ до центра синтезирования, определение размера половины (Δψ) сектора углов наблюдения 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, преобразование двумерной матрицы комплексных огибающих в координатах пространственных частот с помощью обратного быстрого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу синтезированных комплексных откликов.

Согласно изобретению, формируют двумерную матрицу комплексных огибающих в координатах пространственных частот , определяя количество элементов матрицы как: , где Δγ - величина изменения углового положения объекта за один цикл перестройки частоты и заносят в элементы матрицы данные для моментов времени t_nm, в которые значения частоты и угла наиболее близки к частоте и углу, вычисляемым по пространственным частотам, определяют радиолокационное изображение объекта в виде совокупности всех элементов двумерной матрицы синтезированных комплексных откликов, преобразуют двумерную матрицу синтезированных комплексных откликов с помощью прямого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу комплексных огибающих в координатах пространственных частот, формируют из нее двумерную матрицу комплексных огибающих в координатах изменения несущей частоты и угла наблюдения , занося в элементы матрицы значения, координаты которых наиболее близки к пространственным частотам, вычисляемым по частоте и углу наблюдения.

Технический результат изобретения, заключающийся в снижении погрешности определения ЭПР объекта по восстановленным из его двумерного РЛИ диаграммам ЭПР и фазы, достигается за счет использования в преобразовании всех зарегистрированных отсчетов отраженного от объекта сигнала.

Из приведенной совокупности существенных признаков предлагаемого способа следует, что общими с прототипом являются следующие операции: 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 цикла перестройки частоты; измерение в земной системе отсчета в моменты времени t_nm координат центра антенны ИУ и координат выбранного центра синтезирования на объекте; измерение относительно земной системы отсчета угла наблюдения ψ(t_nm) между строительной осью объекта и направлением излучения (приема) сигнала; прием отраженных сигналов; измерение комплексных огибающих S(t_nm) отраженных сигналов; корректировка фазы измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов к расстоянию от центра антенны ИУ до центра синтезирования; определение размера половины сектора углов наблюдения Δψ из условия равного разрешения по продольной Δz и поперечной Δх координатам и запоминание измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов в течение времени синтезирования в угловом секторе ±Δψ, преобразование двумерной матрицы комплексных огибающих в координатах пространственных частот с помощью обратного быстрого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу синтезированных комплексных откликов.

Операции прототипа: определение величины порога по уровню первых боковых лепестков наиболее интенсивного отклика, сравнения величин откликов с порогом для выделения превышающих порог элементов матрицы, а также определение РЛИ в виде совокупности выделенных элементов матрицы исключены, так как приводят к безвозвратной потере отсчетов сигнала ниже установленного порога и, как следствие, к значительным погрешностям при восстановлении диаграмм ЭПР объекта и невозможности восстановления его диаграмм фазы.

Операция формирования двумерной матрицы комплексных огибающих в координатах пространственных частот является общей с прототипом только формально. В отличие от прототипа количество пространственных элементов N₁ и М₁ матрицы комплексных огибающих соответственно определяется исходя из величин изменения несущей частоты Δƒ и углового положения объекта за один цикл перестройки частоты Δγ, что обеспечивает использование при синтезе РЛИ объекта всех зарегистрированных ИУ дискретных отсчетов сигнала.

Введены новые операции:

определение РЛИ объекта в виде совокупности всех элементов двумерной матрицы синтезированных комплексных откликов;

преобразование двумерной матрицы синтезированных комплексных откликов с помощью прямого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу комплексных огибающих в координатах пространственных частот;

формирование двумерной матрицы комплексных огибающих в координатах изменения несущей частоты и угла наблюдения .

Новые операции изобретения по сравнению с прототипом позволяют восстановить из РЛИ объекта его двумерные диаграммы ЭПР и фазы от угла наблюдения и частоты зондирования.

Описание предлагаемого способа заключается в следующем.

Известно (Радиолокационные характеристики объектов. Методы исследования. Монография / Под. ред. С.М. Нестерова - М. Радиотехника, 2015, С. 278-279), что при проведении радиолокационных измерений для синтеза двумерных РЛИ объектов размеры области синтезирования РЛИ физически ограничены величиной шага дискретизации по координатам частоты зондирования Δƒ и изменения углового положения объекта Δγ.

Определение количества пространственных элементов N₁ и М₁ матрицы комплексных огибающих как: позволяет сохранить исходную частоту дискретизации сигнала. В результате при синтезе РЛИ объекта используются все измеренные дискретные отсчеты отраженного от него сигнала, что позволяет при помощи прямого двумерного преобразования Фурье получить из РЛИ объекта полный набор дискретных отсчетов его диаграмм ЭПР и фазы.

Полученное предложенным способом РЛИ объекта имеет максимально возможные для данных условий размеры области синтезирования. Если геометрические размеры объекта существенно меньше, то отсчеты матрицы синтезированных откликов, находящиеся вне области отражений от объекта могут быть заменены нулевыми отсчетами. Тем самым способ дополнительно позволяет многократно уменьшить объем хранимых измеренных данных.

Запишем оператор восстановления двумерной матрицы комплексных огибающих в координатах пространственных частот:

.

Дискретную форму преобразования с учетом получения двумерной матрицы комплексных огибающих в координатах изменения несущей частоты ƒ и угла наблюдения ψ запишем в виде:

,

n3=1,…, N₁, m₃=1,…, М_1,

.

Элементы двумерной матрицы диаграмм ЭПР объекта σ получим как квадрат модуля значений элементов двумерной матрицы комплексных огибающих: σ=|S(n₃, m₃)|².

Элементы двумерной матрицы фазовых диаграмм отражения объекта ϕ получим как аргумент значений элементов двумерной матрицы комплексных огибающих: ϕ=argS(n₃, m₃).

Работоспособность предлагаемого изобретения проверена по результатам эксперимента, проведенного на открытом РИК.

Условия локации заданы следующим образом:

зондирующие сигналы - импульсы с периодом повторения 20 мкс;

несущая частота сигнала меняется от импульса к импульсу с шагом 1000/1024 МГц в полосе частот от 12750 до 17250 МГц;

объект равномерно вращается со скоростью 12°/c.

В качестве объекта измерений использовался эталонный отражатель - вращающийся в горизонтальной плоскости вокруг центра синтезирования металлический цилиндр с длиной образующей 1 м и диаметром основания 0,3 м.

На фиг. 4 приведены результаты сравнения измеренной диаграммы ЭПР цилиндра (а) и восстановленной из его РЛИ согласно предложенному способу диаграммы ЭПР (б), в зависимости от угла локации на частоте зондирования 15000 МГц. Погрешность оценки максимальных и медианных значений ЭПР цилиндра в секторе ±5° от нормали к его образующей не превышает 0,3 дБ и 0,5 дБ соответственно.

На фиг. 5 приведены результаты сравнения измеренной диаграммы ЭПР цилиндра (а) и восстановленной из его РЛИ согласно предложенному способу диаграммы ЭПР (б) в зависимости от частоты зондирования при угле локации по нормали к образующей цилиндра. Погрешность оценки максимальных и медианных значений ЭПР цилиндра в частотном диапазоне 12750…17250 МГц не превышает 0,3 дБ.

На фиг. 6 приведены результаты сравнения измеренной диаграммы фазы цилиндра (а) и восстановленной из его РЛИ согласно предложенному способу диаграммы фазы (б) в зависимости от угла локации на частоте зондирования 15000 МГц.

На фиг. 7 приведены результаты сравнения измеренной диаграммы фазы цилиндра (а) и восстановленной из его РЛИ согласно предложенному способу диаграммы фазы (б) в зависимости от частоты зондирования при угле локации по нормали к образующей цилиндра.

Результаты показывают, что восстановленные и измеренные диаграммы фазы отраженного от объекта сигнала практически совпадают.

Отсчеты матрицы синтезированных откликов, находящиеся вне области отражений от объекта, заменялись нулевыми отсчетами. Количество значимых отсчетов матрицы синтезированных откликов составило 120⋅440=52800 при исходной матрице 1024⋅512=524288. Таким образом, дополнительно обеспечено многократное (в 9,9 раза) уменьшение объема хранимых данных.

Сравнительный анализ полученных результатов показывает, что технический результат достигнут, задача изобретения решена.

Предложенный способ может использоваться для восстановления исходных и скорректированных диаграмм ЭПР и фазы объекта, а также многократного уменьшения объема хранимых данных по ЭПР объектов в широкой полосе частот.

Изобретение относится к радиолокационной измерительной технике и может быть использовано на радиолокационных измерительных комплексах (стендах) с когерентными измерительными установками многочастотного импульсного зондирования, осуществляющих построение двумерных радиолокационных изображений (РЛИ) исследуемых объектов с помощью инверсного синтеза апертуры антенны. Техническим результатом является снижение погрешности определения эффективной площади рассеяния (ЭПР) объекта по восстановленным из его двумерного РЛИ диаграммам ЭПР и фазы. В заявленном способе осуществляют преобразование всех зарегистрированных отсчетов отраженного от объекта сигнала, определение РЛИ объекта в виде совокупности всех элементов двумерной матрицы синтезированных комплексных откликов, преобразование двумерной матрицы синтезированных комплексных откликов с помощью прямого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу комплексных огибающих в координатах пространственных частот, и формирование двумерной матрицы комплексных огибающих в полярных координатах изменения несущей частоты и угла наблюдения. 7 ил.

Способ получения двумерного радиолокационного изображения объекта при многочастотном импульсном зондировании, обеспечивающий восстановление амплитуды и фазы отраженного сигнала, включает 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 цикла перестройки частоты, измерение в земной системе отсчета в моменты времени t_nm координат центра антенны измерительной установки (ИУ) и координат выбранного центра синтезирования на объекте, измерение относительно земной системы отсчета угла наблюдения ψ(t_nm) между строительной осью объекта и направлением излучения (приема) сигнала, прием отраженных сигналов, измерение комплексных огибающих S(t_nm) отраженных сигналов, корректировку фазы измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов к расстоянию от центра антенны ИУ до центра синтезирования, определение размера половины (Δψ) сектора углов наблюдения 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, преобразование двумерной матрицы комплексных огибающих в координатах пространственных частот с помощью обратного быстрого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу синтезированных комплексных откликов, отличающийся тем, что формируют двумерную матрицу комплексных огибающих в координатах пространственных частот , определяя количество элементов матрицы как: , где Δγ - величина изменения углового положения объекта за один цикл перестройки частоты и заносят в элементы матрицы данные для моментов времени t_nm, в которые значения частоты и угла наиболее близки к частоте и углу, вычисляемым по пространственным частотам, определяют радиолокационное изображение объекта в виде совокупности всех элементов двумерной матрицы синтезированных комплексных откликов, преобразуют двумерную матрицу синтезированных комплексных откликов с помощью прямого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу комплексных огибающих в координатах пространственных частот, формируют из нее двумерную матрицу комплексных огибающих в координатах изменения несущей частоты и угла наблюдения , занося в элементы матрицы значения, координаты которых наиболее близки к пространственным частотам, вычисляемым по частоте и углу наблюдения.