СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ДВИЖУЩИХСЯ ЦЕЛЕЙ НА ФОНЕ НЕПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ С ПОМОЩЬЮ ШУМОВОГО СИГНАЛА И ШУМОВАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ, РЕАЛИЗУЮЩАЯ ДАННЫЙ СПОСОБ Российский патент 2024 года по МПК G01S7/292 G01S13/32 G01S13/524 

Изобретение относится к радиолокации, а именно, к радиолокации широкополосным шумовым зондирующим сигналом и может быть использовано в радиолокаторах с непрерывным шумовым сигналом (ШС).

Достигаемый технический результат изобретения - надежное обнаружение малоразмерных движущихся целей на фоне неподвижных объектов при обеспечении высокой скрытности.

Указанный результат достигается за счет проведения следующих операций. С помощью генератора шума формируется периодический непрерывный шумовой сигнал ξ(f) длительностью Т_с, который в дальнейшем используется в качестве зондирующего и опорного сигналов. Спектр ШС переносится на несущую сверхвысокую частоту (СВЧ), усиливается до необходимой величины, поступает в передающую антенну, где преобразуется в радиоволну и излучается в пространство в направлении цели. Одновременно в каждом периоде зондирования из шумового сигнала формируется опорный сигнал путем сдвига каждой частотной составляющей спектра сигнала по доплеровской частоте на величину, соответствующую разрешающей способности по радиальной скорости. Для этого в каждом следующем периоде зондирования производится масштабирование опорного сигнала по времени в сторону уменьшения его длительности, при сжатии сигнала на временной оси во столько же раз расширяется его спектр на оси частот. Сигнал, отраженный от движущихся целей и неподвижных местных предметов (МП), поступает в приемную антенну, усиливается до необходимой величины и переносится на видеочастоту. Далее видеочастотный ШС преобразуется в цифровой вид. В каждом периоде зондирования производится суммирование опорного сигнала, спектр которого сдвинут на величину доплеровской добавки, и отраженного сигнала, спектр которого сдвинут на величину доплеровской добавки, если цель подвижная, или не иметь доплеровской добавки, если цель - неподвижная. Далее с помощью анализатора спектра первого этапа вычисляется спектральная плотность суммарного шумового сигнала ξ(t) с помощью прямого преобразования Фурье. После спектрального анализа первого этапа производится вычисление энергетического спектра суммарного сигнала. Для этого комплексная спектральная плотность суммарного шумового сигнала раскладывается на квадратурные составляющие, вычисляется модуля спектра и возводится в квадрат. В результате указанных преобразований образуется спектральная плотность мощности или энергетический спектр суммарного сигнала. Для нахождения неизвестной задержки сигнала τ_ц проводится второй этап спектральной обработки. Для этого энергетический спектр с выхода квадратора подается на анализатор спектра второго этапа, где вычисляется корреляционная функция суммарного процесса. Таким образом, описанный способ позволяет выделить из отраженного ШС движущиеся цели и подавить неподвижные МП.

Известна радиолокационная станция (РЛС), в которой генератором шума формируется шумоподобный сигнал, причем, ширина спектра данного сигнала определяется требуемым разрешением по дальности, проходит через усилитель мощности, поступает в передающую антенну и излучается [1, page 178-180]. С усилителя мощности часть шумового сигнала с помощью смесителя и гетеродина переносится на промежуточную частоту, задерживается управляемой линией задержки, умножается на принятый приемной антенной отраженный сигнал, сдвинутый на ту же промежуточную частоту, фильтруется фильтром низкой частоты (ФНЧ), поступает на обнаружитель цели. Перестройкой линии задержки ищут в диапазоне рабочих задержек сигнала задержку положения сигнала цели, где есть обнаружение и наблюдается максимум сигнала на выходе низкочастотного фильтра. Достоинством данной РЛС является ее высокая скрытность, обеспечиваемая применением шумоподобного сигнала с широким спектром, а также возможность обнаружения неподвижных целей. Недостатком данной РЛС является малая эффективность обнаружения движущихся целей, которую можно пояснить следующим образом.

Пусть шумовая РЛС (ШРЛС) излучает зондирующий ШС длительностью Т_с, тогда подвижная цель будет отражать сигнал задержанный на время τ_ц, соответствующее дальности до цели, и имеющий доплеровское приращение частоты Ω_ц, соответствующее скорости. В этом случае напряжение на выходе ФНЧ записывается [5, с. 217]:

где R(τ_ц) взаимная корреляционная функция зондирующего и отраженного сигналов, зависящая от временной задержки τ_ц.

Из выражения (1) следует, что при наличии доплеровского сдвига происходит уменьшение полезного эффекта пропорционально сомножителю вида sinx/x при х=Ω_цТ_с /2. В случае неподвижной цели (Ω_ц=0) множитель sin х/х становится равным единице, косинусный множитель также равен единице и выходной эффект (медленно изменяющееся напряжение на выходе фазового детектора) определяется исключительно модулем корреляционной функции шума в зависимости от временной задержки τ_ц. Если же цель подвижна (Ω_ц ≠ 0), то множитель sin х/х становится меньше единицы, косинусный множитель также меньше единицы, что приводит к уменьшению выходного эффекта.

Так, например, при скорости цели 10 м/с, средней частоте спектра 10 ГГц и длительности сигнала 0,01 с выходной эффект уменьшается в 17 раз (по сравнению с выходным эффектом для неподвижной цели), а при скорости цели 50 м/с выходной эффект уменьшается в 35 раз. Таким образом, для движущейся цели выходной эффект настолько уменьшается, что становится соизмеримым с уровнем собственных шумов приемника, что обуславливает ничтожно малую эффективность обнаружения подвижных целей.

Известна шумовая РЛС [2], работающая на одну антенну, в которой зондирующие сигналы представляют собой амплитудно-частотно-модулированные импульсы. Несущая частота данных импульсов изменяется по линейному закону (ЛЧМ), а амплитуда модулирована гауссовым шумом. При приеме отраженного сигнала демодулируют частоту отраженного сигнала с помощью ЛЧМ сигнала, вычисляют функцию взаимной корреляции демодулированного сигнала с комплексно сопряженной амплитудной модуляцией зондирующего сигнала, находят спектр функции взаимной корреляции, находят спектральные составляющие спектра, превышающие порог обнаружения, выдают потребителю оценки дальности объектов сцены в соответствии с частотой обнаруженных спектральных составляющих. Достоинством данной шумовой РЛС является невозможность выявления параметров модуляции сигнала противником, так и снижение уровня сигнала передатчика в сигнале, принимаемом приемником шумового характера амплитудной модуляции зондирующего сигнала. Недостатком данной РЛС является малая эффективность обнаружения движущихся целей.

Известна шумовая РЛС [3], предназначенная для использования с автомобильной системой управления, такой как, например, система предотвращения столкновений или интеллектуальный круиз-контроль. В рассматриваемой РЛС генерируется непрерывный широкополосный случайный шумовой сигнал, который усиливается в полосе пропускания усилителя передатчика, проходит через направленный ответвитель на передающую антенну и излучается, часть мощности зондирующего сигнала со второго выхода направленного ответвителя переносится с помощью первого смесителя и гетеродина на видеочастоту, усиливается первым видеоусилителем, преобразуется в бинарный опорный сигнал. Отраженный сигнал принимается приемной антенной, ограничивается по амплитуде, усиливается малошумящим усилителем, ослабляется управляемым аттенюатором, переносится вторым смесителем на видеочастоту, преобразуется в бинарный отраженный сигнал, сжимается по дальности (коррелируется с задержанными опорными сигналами) в блоке корреляторов, процессор выбирает сжатые блоком корреляторов сигналы, вычисляет с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) спектр сигналов на каждой разрешаемой дальности и с помощью порогового обнаружения выделяет сигналы и выдаются в систему управления. Недостатком данной РЛС является малая эффективность обнаружения движущихся объектов.

Известна шумовая РЛС [4]. Принцип действия рассматриваемой шумовая РЛС заключается в следующем. Генератор шума формирует непрерывный шумовой сигнал, используемый в качестве опорного. Ширина полосы и форма спектра выбирается исходя из требуемого разрешения по дальности и допустимого уровня боковых лепестков автокорреляционной функции. Модуляция опорного сигнала переносится на несущую частоту, усиливается и излучается через передающую антенну в эфир. Отраженный сигнал принимается приемной антенной, принятый сигнал переносится на видеочастоту и оцифровывается. Опорный сигнал задерживается на паспортизованную величину задержки сигнала межантенной связи, одновременно отслеживается амплитуда сигнала межантенной связи. Далее формируется аналог сигнала межантенной связи и производится компенсация сигнала межантенной связи путем вычитания аналога сигнала межантенной связи из принятого сигнала. Недостатком данной РЛС является малая эффективность обнаружения движущихся целей в связи с тем, что отраженный сигнал, получивший доплеровскую добавку по частоте, имеет малую корреляцию с опорным сигналом, не имеющим такой добавки.

Известен способ межобзорной компенсации (МОК) отражений от местных предметов (МП), применяемый в ШРЛС и позволяющий выделить сигнал подвижной цели [5, с. 236], сущность которого заключается в следующем. ШРЛС излучает непрерывные шумовые сигналы (ШС) длительностью Т_с. После окончания сигнала сразу же формируется следующий, т.е. период повторения данных ШС равен их длительности Т_с. В каждом из двух последовательных не перекрывающихся во времени циклов, называемых далее периодами зондирования, на всем интервале дальностей производится выделение сигналов цели и МП на основе двойной спектральной обработки (ДСО). Сигналы неподвижных МП не изменяются от обзора к обзору и могут быть скомпенсированы путем межобзорного вычитания выходных эффектов, полученных на каждом обзоре. В то же время сигнал цели, изменившей свое положение даже на малую долю элемента разрешения по дальности за время между обзорами, не будет скомпенсирован вследствие изменения фазового набега на средней частоте спектра ШС.

Достоинством данного способа является высокая скрытность ШРЛС, обеспечиваемая применением ШС с широким спектром и низкой спектральной плотностью. Однако, рассматриваемый способ имеет существенный недостаток, связанный со сложностью выделения движущейся цели в каждом отдельном периоде зондирования. Указанный недостаток можно пояснить следующим образом.

При движении цели относительно ШРЛС каждая спектральная составляющая отраженного сигнала приобретает частотную доплеровскую добавку. Поскольку ширина спектра сигнала довольно большая (соизмерима с несущей частотой), то каждая спектральная составляющая сдвигается на разную величину, что приводит не только к сдвигу спектра отраженного сигнала, но и к его трансформации. То есть ширина спектра увеличивается при приближении цели и уменьшается при ее удалении. При использовании метода ДСО на первом этапе производится суммирование опорного и отраженного сигналов. Спектральную плотность суммарного сигнала можно записать

где W_ξ - спектральная плотность опорного сигнала; ρ₀ - множитель ослабления по каналу опорного сигнала; ρ_ц - множитель ослабления по каналу цели; ρ=ρ_ц / ρ₀ - относительный множитель ослабления; τ_ц0 - задержка сигнала в момент времени to, обусловленная дальностью до цели; - скорость изменения задержки, обусловленная движением цели.

Здесь учтено, что модули спектров опорного и отраженного сигналов равны (с точностью до множителей ослабления ρ_ц, ρ₀), а фазы отличаются за счет дальности и скорости цели.

Как видно из выражения (2), фазовый множитель спектра цели включает задержку, соответствующую дальности до цели τ_ц0, и изменяющееся во времени слагаемое соответствующее скорости цели.

Если текущую частоту со в выражении (2) представить как условное «время», то сомножитель является условной «частотой», причем, эта т.н. «частота» изменяется во времени со скоростью Сравнивая выражение (2) с выражением частотно-модулированного колебания [6, с. 89]

где ω₀ - средняя частота; β - скорость изменения частоты,

замечаем, что выражение (2) можно представить частотно-модулированным колебанием, причем, в качестве параметра β выступает скорость изменения временной задержки

Предполагая, что в малом интервале времени движение цели является равномерным, что соответствует линейному изменению во времени слагаемого выражение (2) можно рассматривать как линейно-частотно-модулированный (ЛЧМ) сигнал. Как известно [6, с. 91], при больших значениях базы сигнала форма модуля спектра ЛЧМ сигнала приближается к прямоугольной и ширина спектра близка к величине 2ω_д (где ω_д - девиация частоты). Таким образом, спектр выражения (2), который рассчитывается на втором этапе ДСО имеет довольно большую ширину, принимает размытую форму, следовательно, амплитуды гармоник спектра становятся ничтожно малыми и обнаружить их на фоне шумов невозможно. Отсюда следует вывод, что используя известный способ (при котором частотная доплеровская добавка в опорном сигнале отсутствует), обнаружение подвижной цели, в сигнале которой присутствует доплеровская добавка, становится довольно затруднительным.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является метод двойной спектральной обработки шумового сигнала [5, с. 230-234], принятый за прототип. Сущность данного метода заключается в спектральной обработке суммы отраженного целью ШС и опорного ШС передатчика, попадающего в приемник через цепи аттенюации или по эфиру в ходе первого этапа спектральной обработки. При этом спектральная плотность мощности суммарного сигнала приобретает периодическую модуляцию с «периодом» по частоте, зависящим от дальности цели или задержки сигнала. В ходе второго этапа спектральной обработки с помощью обратного преобразования Фурье от спектра мощности определяется временная задержка по положению максимума на оси времени. Таким образом, определение задержки отраженного сигнала или дальности до цели возможно в результате проведения последовательно двух этапов спектрального анализа. Если цель - движущаяся, то отраженный сигнал приобретает доплеровскую добавку, задержка по времени начинает изменяться во времени и спектр суммарного сигнала становится нестационарным. На каждой частоте спектра суммарного сигнала проявляется временная модуляция, частота которой зависит от скорости изменения задержки. Измерение радиальной скорости цели заключается в оценке нестационарной дисперсии суммарного процесса в некоторой узкой полосе частот вблизи известной выбранной частоты спектра. Данная дисперсия будет изменяться периодически во времени с частотой, зависящей от скорости цели. Измеряя эту дисперсию одним из известных способов [7, с. 366], определяем радиальную скорость цели. Оценка дисперсии нестационарного процесса определяется:

где N- число измерений; х_i(t) - измеренная величина в i-ой точке в момент времени t;

Недостатком данного метода является недостаточная точность измерения дисперсии нестационарного процесса при наличии отражений от неподвижных МП, что обуславливает малую эффективность выделения сигнала движущейся цели на фоне неподвижных МП. Недостаток данного метода можно пояснить следующим образом. Особенностью метода ДСО является наличие колебаний в некоторой узкой полосе частот вблизи известной выбранной частоты спектра даже при отсутствии подвижных целей. Наличие подвижной цели лишь несколько увеличивает амплитуду данных колебаний. На фиг. 1 приведены два колебания нестационарного процесса на частоте 2 ГГц: а - при наличии двух неподвижных целей на дальностях 350 и 450 м; б - при наличии двух неподвижных целей на дальностях 350 и 450 м и одной подвижной цели на дальности 400 м. Как видно из графиков фиг. 1, при наличии движущейся цели амплитуда нестационарных колебаний увеличивается незначительно по сравнению с амплитудой колебаний при отсутствии движущейся цели, что делает ненадежным выделение движущейся цели на фоне МП известным способом.

Целью предлагаемого изобретения является обнаружение малоразмерных движущихся целей на фоне неподвижных объектов при обеспечении высокой скрытности.

Предлагаемый способ использует метод двойной спектральной обработки, описанный в [5, с. 230-234].

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

С помощью генератора шума формируется периодический непрерывный шумовой сигнал (ШС) ξ(t) длительностью Т_с, который в дальнейшем называется периодом зондирования. Этот ШС используется в качестве зондирующего и опорного сигналов. Длительность ШС определяется необходимой точностью измерения дальности цели и ее скоростью:

где ΔD - интервал перемещения цели за время ее облучения одним периодом сигнала; v_ц - скорость цели.

Например, при обнаружении малых БПЛА, имеющих характерную скорость v_ц=100 м/с, при допустимом интервале перемещения цели ΔD=10 м в соответствии с формулой (3) получаем Т_с=100 мс.

В то же время длительность Т_с ШС должна быть достаточна для обеспечения необходимой энергии отраженного сигнала при работе по малоразмерным целям:

где ξ(t) - напряжение зондирующего ШС; Э_с энергия зондирующего ШС; Э_с.min минимальная энергия, при которой возможно обнаружение цели.

Период формирования ШС равен его длительности. Таким образом, данный сигнал является псевдонепрерывным случайным сигналом. Спектр ШС переносится на несущую сверхвысокую частоту (СВЧ), усиливается до необходимой величины, поступает в передающую антенну, где преобразуется в радиоволну и излучается в пространство в направлении цели. Одновременно в каждом периоде зондирования из шумового сигнала формируется опорный сигнал путем сдвига каждой частотной составляющей спектра сигнала по доплеровской частоте на величину, соответствующую разрешающей способности по радиальной скорости. Для этого в каждом следующем периоде зондирования производится масштабирование опорного сигнала по времени в сторону уменьшения его длительности по формуле

где ξ_i - значение шумового напряжения в дискретный i-й момент времени; k - масштабный коэффициент по времени; round(x) оператор округления, необходимый для того чтобы индекс всегда был целым числом.

Масштабный коэффициент по времени зависит от разрешающей способности по радиальной скорости и вычисляется по формуле:

где δv_r - доплеровская добавка по скорости, равная разрешающей способности по радиальной скорости; v_min, v_max - минимальная и максимальная скорости цели, измеряемые радиолокатором; m - номер периода зондирования; N_max - число периодов зондирования, в которых производится сдвиг сигнала по доплеровской частоте.

Разрешающая способность по радиальной скорости определяется [5, с. 233] по формуле

где f_в - верхняя граница спектра ШС.

Как видно из формулы (7), операция масштабирования приводит к сжатию сигнала по времени в k раз. Как известно [6, с. 31-32], при сжатии сигнала в k раз на временной оси во столько же раз расширяется его спектр на оси частот. Модуль спектральной плотности при этом уменьшается в k раз:

где S₁(ω) - спектр исходного сигнала; S₂(ω) - спектр сжатого сигнала.

Таким образом, в каждом следующем периоде зондирования производится масштабирование спектра сигнала, что эквивалентно сдвигу всех частот спектра на величину доплеровской добавки.

Сигнал, отраженный от движущихся целей и неподвижных местных предметов (МП), поступает в приемную антенну, усиливается до необходимой величины и переносится на видеочастоту. Далее видеочастотный ШС преобразуется в цифровой вид.

Оцифрованный опорный сигнал, сдвинутый в каждом следующем периоде зондирования по доплеровской частоте на величину разрешающей способности по радиальной скорости в соответствии с выражением (7), можно представить где - скорость изменения временной задержки, обусловленная масштабированием сигнала. Этот сигнал суммируется с оцифрованным отраженным сигналом, содержащим информацию о движущихся целях и неподвижных МП. Сигнал, отраженный от неподвижных МП, можно представить ξ(t-τ_ц0), где τ_ц0 - задержка в момент времени t₀, обусловленная дальностью до цели. Сигнал, отраженный от движущихся целей, можно представить где - скорость изменения задержки, обусловленная движением цели. Скорость изменения задержки связана с радиальной скоростью цели v_r соотношением:

В каждом периоде зондирования производится суммирование опорного сигнала, спектр которого сдвинут на величину доплеровской добавки, и отраженного сигнала, спектр которого сдвинут на величину доплеровской добавки, если цель подвижная, или с нулевой доплеровской добавкой, если цель - неподвижная. В случае подвижной цели доплеровские добавки опорного и отраженного сигналов могут совпадать или не совпадать. Далее выполняется спектральная обработка первого этапа, в ходе которой с помощью анализатора первого этапа вычисляется спектральная плотность суммарного шумового сигнала £(t), используя прямое преобразование Фурье [6, с. 28, формула (2.48)]:

где Т_с - длительность шумового сигнала; ρ₀ - множитель ослабления по каналу опорного сигнала.

В соответствии с теоремой о сдвиге сигнала во времени [6, с. 31, формула (2.57)] спектральная плотность сигнала, отраженного от подвижной цели, имеющего задержку τ_ц и скоростную добавку записывается:

где τ_ц0 - задержка в момент времени t₀, обусловленная дальностью до цели; ρ_ц -множитель ослабления по каналу цели.

При увеличении доплеровской добавки в опорном сигнале в каждом следующем периоде излучения последняя может быть равна или не равна доплеровской добавке, присутствующей в сигнале цели. В сигнале, отраженном от неподвижного МП, доплеровская добавка всегда равна нулю. Рассмотрим, как выглядит спектральная плотность суммарного сигнала на выходе анализатора первого этапа в случаях равенства или не равенства указанных доплеровских добавок.

Если частотная доплеровская добавка в опорном сигнале отсутствует или не равна доплеровской добавке, имеющейся в сигнале цели, то спектральную плотность суммарного сигнала можно записать

где W_ξ - спектр опорного сигнала; ρ=ρ_ц / ρ₀ - относительный множитель ослабления.

Здесь учтено, что модули спектров опорного и отраженного сигналов равны (с точностью до множителей ослабления ρ_ц, ρ₀), а фазы отличаются за счет дальности и скорости цели.

Как видно из выражения (14), фазовый множитель спектра цели включает задержку, соответствующую дальности до цели τ_ц0, и изменяющееся во времени слагаемое соответствующее скорости цели. Поскольку слагаемое изменяется во времени линейно, выражение (14) можно рассматривать как спектр линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) сигнала. Как известно [6, с. 91], при больших значениях базы сигнала форма модуля спектра ЛЧМ сигнала приближается к прямоугольной, а ширина спектра близка к величине 2ω_д (где ω_д - девиация частоты). Таким образом, спектр (14) имеет довольно большую ширину, принимает размытую форму, следовательно, амплитуды гармоник спектра становятся ничтожно малыми и обнаружить их на фоне шумов невозможно. Отсюда следует вывод, что если частотная доплеровская добавка, формируемая ФОС в опорном сигнале, отсутствует или не равна доплеровской добавке, присутствующей в сигнале цели, то обнаружение такой цели невозможно.

Если же частотная доплеровская добавка, формируемая в опорном сигнале, равна доплеровской добавке, присутствующей в сигнале цели, то спектральную плотность суммарного сигнала на выходе анализатора первого этапа можно записать

Как видно из выражения (15), второе слагаемое содержит гармонику, задержанную на время τ_ц0, соответствующее дальности до цели. Выделяя данную гармонику на втором этапе спектрального анализа, можно, при наличии достаточной энергии сигнала, обнаружить данную цель.

После спектрального анализа первого этапа производится вычисление энергетического спектра суммарного сигнала. Для этого комплексная спектральная плотность суммарного шумового сигнала раскладывается на квадратурные составляющие, по которым вычисляется модуль спектра, и последний возводится в квадрат. В результате указанных преобразований образуется спектральная плотность мощности или энергетический спектр суммарного сигнала [5, с. 233]:

где S_ξ(ω) - энергетический спектр шумового сигнала; τ_ц - задержка сигнала цели.

Из выражения (16) видно, что энергетический спектр суммарного сигнала содержит косинусоидальную составляющую, аргументом которой является задержка сигнала τ_ц, соответствующая дальности до цели

где с - скорость света.

Также из выражения (16) следует, что в энергетическом спектре суммарного сигнала отсутствует скорость изменения задержки соответствующая радиальной скорости цели, что позволяет выделить задержку сигнала τ_ц0 и измерить дальности до цели. Как было показано выше, при наличии в спектре сигнала скоростной составляющей выделить задержку сигнала τ_ц невозможно.

На фиг. 2, а показан вид энергетического спектра для движущийся цели на дальности 15000 м, а на фиг. 2, б показан вид энергетического спектра для движущийся цели на дальности 22500 м. Энергетический спектр суммарного сигнала при наличии цели представляет собой периодически чередующиеся максимумы. Как видно из данных графиков, при увеличении дальности до цели частота следования максимумов спектра увеличивается.

Для нахождения неизвестной задержки сигнала τ_ц проводится второй этап спектральной обработки. Для этого энергетический спектр, с выхода квадратора подается на анализатор спектра второго этапа, где вычисляется корреляционная функция суммарного процесса [5, с. 230]:

где К_ξ(τ) - корреляционная функция ШС.

Как видно из выражения (18), корреляционная функция суммарного процесса K_сум(τ) включает в себя три корреляционных выброса: при τ=0 (на нулевой дальности), и два зеркально симметричных корреляционных выброса при τ= -τ_ц и τ=τ_ц, соответствующие дальности до цели. Вид корреляционной функции суммарного процесса для цели с τ_ц=10 мкс показан на фиг. 3. Поскольку корреляционная функция представляет собой две симметричные части, то на практике используют одну часть на интервале от нуля до T_c/2, где Т_с - длительность ШС.

В случае отражений от неподвижного МП энергетический спектр суммарного сигнала записывается

где - скорость изменения временной задержки, обусловленная масштабированием сигнала.

Наличие изменяющегося во времени слагаемого приводит к существенному расширению спектра и, соответственно, к уменьшению спектральной плотности. Поэтому пиковое значение корреляционной функции, вычисленной по формуле (19), оказывается ничтожно малой. Таким образом, сигналы, отраженные от неподвижных МП оказываются подавленными. В то же время сигнал, отраженный от движущейся цели, в спектре которого присутствует доплеровская добавка, равная установленной в опорном сигнале, имеет корреляционный выброс, значительно превышающий собственные шумы приемника.

Из вышеизложенного следует, что описанный способ позволяет выделить из отраженного ШС движущиеся цели и подавить неподвижные МП. Для этого напряжение, пропорциональное корреляционной функции, с выхода анализатора спектра второго этапа подается на устройство принятия решения, где сравнивается с пороговым напряжением U₀, выбираемым исходя из заданных вероятностей обнаружения и ложной тревоги. В случае превышения корреляционным выбросом порогового напряжения U₀ принимается решение о наличии цели. Одновременно определяется временная задержка τ_ц0, при которой корреляционный выброс превышает пороговое напряжение. Временная задержка τ_ц0 запоминается и используется для расчета дальности до цели по формуле (17).

Также в случае принятия решения о наличии цели рассчитывается ее радиальная скорость по формуле

где δv_r- доплеровская добавка по скорости; N_ц - номер периода зондирования, в котором обнаружена цель.

После спектрального анализа второго этапа в текущем периоде зондирования производится формирование ШС следующего периода зондирования путем сдвига спектр сигнала по доплеровской частоте на величину, соответствующую разрешающей способности по радиальной скорости δv_r.

После обнаружения очередной цели также производится запоминание ее дальности и скорости. Сдвиг спектра опорного сигнала по доплеровской частоте производится до тех пор, пока суммарный сдвиг доплеровской частоты будет соответствовать максимальной скорости цели.

Особенность предложенного способа заключается в том, что в каждом периоде зондирования может быть обнаружена только одна движущаяся цель, имеющая определенную скорость, либо несколько движущихся целей, значения скоростей которых находятся в пределах разрешающей способности по радиальной скорости δv_r. Отражения от неподвижных МП будут подавлены.

Достоинством предложенного способа является надежное выделение движущихся целей на фоне неподвижных МП.

Определим требуемое время для обнаружения движущейся цели. Зададим верхнюю границу спектра ШС f_в,=1 ГГЦ, длительность ШС Т_с=10 мс. Тогда по формуле (9) определяем разрешающую способность по радиальной скорости δv_r-=15 м/c. Пусть диапазон измеряемых скоростей цели составляет ΔV=v_max - v_min=100 - 5=95 м/с. Тогда для обнаружения движущейся цели требуется N_max=ΔV/δv_r=95/15≈6 число периодов зондирования, в которых производится сдвиг сигнала по доплеровской частоте. Поскольку период зондирования равен длительности сигнала, то требуемое время для обнаружения движущейся цели составляет Т_тр=N_maxT_c=6 ⋅ 0,01=6 мс.

Для реализации предлагаемого способа в качестве прототипа выбрана ШРЛС с обработкой сигнала на основе метода двойного спектрального анализа, функциональная схема которой приведена в [5, с. 231, рис. 6.7]. Данная ШРЛС включает: генератор шума (ГШ), направленный ответвитель (НО), сумматор (+), анализаторы спектра первого (АС-1) и второго этапов (АС-2), передающую (А1) и приемную (А2) антенны.

Однако, в ШРЛС прототипа дополнительно введены:

процессор (Проц) 1, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 3, смеситель (См) 4, широкополосный усилитель мощности (УМ) 5, гетеродин (Гет) 8, смеситель (См) 9, малошумящий усилитель (МШУ) 10, видеоусилитель (ВУС) 11, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12, формирователь опорного сигнала (ФОС) 13, блоки вычисления квадратурных составляющих спектра (sin) 16 и (cos) 17, вычислитель модуля спектра (Выч Мод) 18, квадратор (Кв) 19.

Структурная схема предлагаемой ШРЛС приведена на фиг. 4.

Предлагаемую РЛС можно условно разделить на тракты:

передающий;

тракт опорного сигнала;

приемный;

тракт обработки суммарного сигнала.

Также в РЛС входят процессор (Проц) 1, управляющий устройствами РЛС, цифровой генератор шума (ЦГШ) 2, являющийся общим для передающего тракта и тракта опорного сигнала, а также гетеродин (Гет) 8, являющийся общим для передающего и приемного трактов.

Рассмотрим работу данных трактов и устройств.

Передающий тракт предназначен для формирования зондирующего сигнала и включает: цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 3, смеситель (См) 4, широкополосный усилитель мощности (УМ) 5 и передающую антенну (Ант Прд) 6.

Передающий тракт работает следующим образом.

Цифровой генератор шума (ЦГШ) 2, управляемый процессором (Проц) 1, формирует периодический непрерывный шумовой сигнал (ШС) длительностью Т_с, который используется в качестве зондирующего и опорного сигналов.

С выхода 1 ЦГШ 2 сформированный сигнал поступает на цифро-аналоговый преобразователь 3, где преобразуется в аналоговую форму, и далее - на смеситель 4, где с помощью гетеродина (Гет) 8 производится перенос спектра ШС на несущую сверхвысокую частоту (СВЧ). С выхода смесителя 4 СВЧ сигнал поступает на широкополосный усилитель мощности 5, где усиливается до необходимой величины, и далее - в передающую антенну 6, где преобразуется в радиоволну и излучается в пространство в направлении цели.

Тракт опорного сигнала предназначен для формирования ШС, аналогичного зондирующему сигналу, причем, в каждом следующем периоде зондирования производится сдвиг каждой составляющей спектра сигнала по доплеровской частоте на величину, соответствующую разрешающей способности по радиальной скорости. Сдвиг спектра опорного сигнала по доплеровской частоте производится до тех пор, пока суммарный сдвиг доплеровской частоты будет соответствовать максимальной скорости цели, на которую рассчитана рассматриваемая РЛС.

Тракт опорного сигнала включает: формирователь опорного сигнала (ФОС) 13, управляемый процессором (Проц) 1.

Тракт опорного сигнала работает следующим образом. С выхода 2 ЦГШ 2 цифровой шумовой сигнал поступает на формирователь опорного сигнала ФОС 13, где в каждом следующем периоде зондирования производится сдвиг сигнала по доплеровской частоте на величину, соответствующую разрешающей способности по радиальной скорости. Для этого в каждом следующем периоде зондирования производится масштабирование опорного сигнала по времени в сторону уменьшения его длительности, что эквивалентно сдвигу всех частот спектра на величину доплеровской добавки.

Приемный тракт предназначен для усиления и переноса спектра отраженного сигнала из области СВЧ на видеочастоту. Приемный тракт включает: приемную антенну (Ант Прм) 7, малошумящий усилитель (МШУ) 10, смеситель (См) 9, видеоусилитель (ВУС) 11, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 12. Гетеродин (Гет) 8 является общим для передающего и приемного трактов.

Приемный тракт работает следующим образом. Сигнал, отраженный от движущихся целей и неподвижных местных предметов (МП), поступает в приемную антенну 7 и далее - в малошумящий усилитель 10, где усиливается до необходимой величины. С выхода МШУ усиленный сигнал поступает в смеситель 9, где с помощью гетеродина 8 спектр отраженного сигнала переносится на видеочастоту. С выхода смесителя видеочастотный ШС поступает на видеоусилитель 11, где усиливается до необходимой величины и далее -в АЦП 12, где преобразуется в цифровой вид.

Тракт обработки суммарного сигнала предназначен для осуществления двойной спектральной обработка суммарного сигнала, в результате чего осуществляется выделение сигналов подвижных целей на фоне неподвижных МП. Тракт обработки суммарного сигнала включает: цифровой сумматор (ЦСум) 14, анализатор спектра первого этапа спектральной обработки (АС 1) 15, блоки вычисления квадратурных составляющих спектра (sin) 16 и (cos) 17, вычислитель модуля спектра (Выч Мод) 18, квадратор (Кв) 19, анализатор спектра второго этапа спектральной обработки (АС 2) 20.

Тракт обработки суммарного сигнала работает следующим образом. Оцифрованный опорный сигнал, сдвинутый в каждом следующем периоде зондирования по доплеровской частоте на величину разрешающей способности по радиальной скорости поступает из ФОС 13 на вход 1 ЦСум 14, на вход 2 которого одновременно поступает оцифрованный сигнал с выхода АЦП 12. Данный сигнал содержит информацию о движущихся целях и неподвижных МП. В каждом периоде зондирования ЦСум 14 производит суммирование опорного сигнала, спектр которого сдвинут на величину доплеровской добавки, и отраженного сигнала.

Суммарный сигнал с выхода ЦСум 14 поступает на анализатор спектра первого этапа 15, где вычисляется спектральная плотность суммарного шумового сигнала ξ(t).

С выхода анализатора спектра первого этапа АС1 15 комплексная спектральная плотность суммарного шумового сигнала поступает на блоки вычисления квадратурных составляющих спектра 16 и 17 и далее - на вычислитель модуля спектра 18. С вычислителя модуля спектра 18 напряжение, пропорциональное модулю спектра, поступает на квадратор 19, где напряжение, пропорциональное модулю спектра суммарного сигнала, возводится в квадрат.В результате указанных преобразований образуется спектральная плотность мощности или энергетический спектр суммарного сигнала, содержащий информацию о задержке сигнала τ_ц.

С выхода квадратора напряжение, пропорциональное энергетическому спектру, подается на анализатор спектра второго этапа (АС2) 20, где проводится второй этап спектральной обработки. В результате анализа спектра второго этапа происходит вычисление корреляционной функции суммарного процесса.

Напряжение, пропорциональное корреляционной функции, с выхода анализатора спектра второго этапа 20 подается на устройство принятия решения (УПР) 21, где напряжение, пропорциональное корреляционной функции, сравнивается с пороговым напряжением U₀.

В случае превышения корреляционным выбросом порогового напряжения принимается решение о наличии цели. Одновременно в УПР 21 определяется временная задержка τ_ц, при которой корреляционный выброс превышает пороговое напряжение. Временная задержка τ_ц запоминается в памяти процессора (Проц) 1. Дальность до цели определяется по временной задержке τ_ц. Также в случае принятия решения о наличии цели рассчитывается ее радиальная скорость по количеству доплеровских добавок δv_r в N_ц периодах зондирования.

После обнаружения цели в N_ц-ом периоде зондирования и запоминания ее дальности и скорости формирователь опорного сигнала 13 продолжает в каждом следующем периоде зондирования сдвигать спектр сигнала по доплеровской частоте на величину, соответствующую разрешающей способности по радиальной скорости δv_r. После обнаружения очередной цели также производится запоминание ее дальности и скорости. Сдвиг спектра опорного сигнала по доплеровской частоте производится до тех пор, пока суммарный сдвиг доплеровской частоты будет соответствовать максимальной скорости цели. Затем процесс сдвига доплеровской частоты начинается с начала.

Особенность предложенного способа заключается в том, что в каждом периоде зондирования может быть обнаружена только одна движущаяся цель, имеющая определенную скорость, либо несколько движущихся целей, значения скоростей которых находятся в пределах разрешающей способности по радиальной скорости δv_r. Отражения от неподвижных МП будут подавлены.

Как следует из вышеизложенного, шумовая РЛС, используя предложенный способ, позволяет выделять движущиеся цели на фоне неподвижных МП.

Для обеспечения скрытности используется ШС с широким спектром. Рассмотрим, как влияет ширина спектра сигнала ШС на скрытность РЛС. В качестве показателя скрытности будем использовать вероятность разведки излучения передатчика РЛС. Зададим типовые исходные данные. Пусть противник использует многоканальный разведприемник с коэффициентом усиления антенны G_c=1, полосой пропускания каналов Δf_ртр=0,1 МГц, суммарным коэффициентом потерь γ_ртр= -5 дБ, коэффициентом шума k_ш=10. Разведприемник удален от нашей шумовой РЛС на расстояние R_pтp=50 км. Вероятность ложной тревоги в одном канале разведприемника F_pтр=10^-7. Мощность излучения передатчика Р_с=100 Вт, средняя длина волны λ=2 см. Ширину спектра Δf_с ШС будем изменять от 10 до 1000 МГц.

Вероятность разведки излучения передатчика РЛС представим как вероятность обнаружения сигнала (по логике «сигнал обнаружен хотя бы в одном канале») [8, с. 39]:

где отношение сигнал/шум в канале разведприемника.

Величина определяется по формуле:

где - спектральная плотность мощности внутренних шумов разведприемника:

где Т- температура приемника, равная 300 К; k - постоянная Больцмана.

График зависимости вероятности разведки излучения передатчика шумовой РЛС от ширины спектра сигнала показан на фиг. 5. Как видим из данного графика, при ширине спектра сигнала Δf_с=500 МГц вероятности разведки противником излучения передатчика шумовой РЛС составляет менее 0,2, что является удовлетворительным показателем скрытности.

Рассчитаем, какова должна быть мощность передатчика, при которой обеспечивается обнаружение малоразмерной цели с ЭПРσ=0,01 м². Зададим исходные параметра: вероятность обнаружения Р_d>0,8, мощность передатчика РЛС Р_с=100 Вт, длительность сигнала Т_с=10 мс, коэффициент усиления антенны G_c=5000, средняя длина волны λ=2 см, коэффициент потерь полезного сигнала γ_с=0,25, уровень ложных тревог (ЛТ). F_лт=10^-6, спектральная плотность мощности внутреннего шума приемника РЛС N₀=10^-20 Вт/Гц.

Дальность обнаружения цели выражается [8, с. 64]

где q_тр - требуемое отношение сигнал/шум для достижения заданной вероятности обнаружения при фиксированной вероятности ложных тревог.

Отношение сигнал/шум выражается

Подставляя отношение сигнал/шум (24) в выражение (23), получаем дальность обнаружения цели R≈12 км, что вполне достаточно для своевременного принятия мер по противодействию малоразмерным движущимся целям. При уменьшении ЭПР цели до σ=0,001 м² дальность обнаружения уменьшается до 6,7 км.

Использование предлагаемого изобретения позволит обнаруживать малоразмерные движущиеся цели на фоне неподвижных местных предметов при обеспечении высокой скрытности от разведки противника.

Источники информации

1. «Ultrawideband Radar: Applications and Design» James D. Taylor 2012. Technology & Engineering.

2. Патент США 8035551 «Noise correlation radar devices and methods for detecting targets with noise correlation radar».

3. Патент США 6121915 «Random noise automotive radar system».

4. Патент «Радиолокатор с непрерывным шумовым сигналом и способ расширения диапазона измеряемых дальностей в радиолокаторе с непрерывным сигналом». RU 2589036.

5. Чапурский В.В. Избранные задачи теории сверхширокополосных радиолокационных систем. 3-е изд., испр. - М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. - 279 с.

6. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник для вузов. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1986. - 512 с.

7. Дж. Бендат, А. Пирсол. Измерение и анализ случайных процессов. Перевод с английского Г.В. Матушевского и В.Е. Привальского. Под ред. И.Н. Коваленко. Изд. «Мир». - М.: 1971.

8. Козлов С.В. Методы и средства радиоэлектронной защиты. Практикум: пособие/. - Минск: БГУИР, 2019. - 88 с.

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокации широкополосным шумовым зондирующим сигналом, и может быть использовано в радиолокаторах с непрерывным шумовым сигналом. Техническим результатом является надежное обнаружение малоразмерных движущихся целей на фоне неподвижных объектов при обеспечении высокой скрытности. В заявленный способ, использующий метод двойной спектральной обработки, дополнительно введена операция сдвига спектра опорного сигнала по доплеровской частоте в каждом периоде зондирования. Для этого производится масштабирование опорного сигнала по времени, что эквивалентно расширению его спектра и, следовательно, к сдвигу всех частот спектра сигнала на величину доплеровской добавки. Сдвиг спектра опорного сигнала по доплеровской частоте приводит к тому, что в результате двойной спектральной обработки подавляются корреляционные выбросы неподвижных предметов и выделяются корреляционные выбросы движущихся целей, причем таких, скорость которых соответствует текущей доплеровской добавке в опорном сигнале. Заявлена также шумовая радиолокационная станция для осуществления способа. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ обнаружения малоразмерных движущихся целей на фоне неподвижных объектов с помощью шумового сигнала, включающий формирование с помощью генератора шума периодического непрерывного шумового сигнала длительностью Т_с, формирование зондирующего и опорного сигналов, перенос спектра шумового сигнала на несущую сверхвысокую частоту, усиление сигнала до необходимой величины, излучение сигнала передающей антенной в направлении цели, прием отраженного от движущихся целей и неподвижных местных предметов сигнала приемной антенной, усиление принятого сигнала до необходимой величины, перенос его на видеочастоту, суммирование опорного и отраженного сигналов, выполнение спектральной обработки первого этапа, в ходе которого вычисляется энергетический спектр суммарного шумового сигнала, выполнение спектральной обработки второго этапа, где вычисляется корреляционная функция суммарного процесса, отличающийся тем, что в каждом периоде зондирования из шумового сигнала формируется опорный сигнал, рассчитывается масштабный коэффициент по времени, зависящий от разрешающей способности по радиальной скорости, в каждом следующем периоде зондирования производится масштабирование (сжатие) опорного сигнала по времени, что эквивалентно сдвигу всех частот спектра сигнала на величину доплеровской добавки, разложение комплексной спектральной плотности суммарного шумового сигнала на квадратурные составляющие, вычисление модуля спектра и возведение последнего в квадрат, сравнение напряжения, пропорционального корреляционной функции, с пороговым напряжением, принятие решения о наличии цели в случае превышения корреляционным выбросом порогового напряжения, определение и запоминание временной задержки, при которой корреляционный выброс превышает пороговое напряжение, расчет дальности до цели по временной задержке, расчет радиальной скорости цели, осуществление сдвига спектра опорного сигнала по доплеровской частоте до тех пор, пока суммарный сдвиг доплеровской частоты будет соответствовать максимальной скорости цели.

2. Шумовая радиолокационная станция, содержащая генератор шума, направленный ответвитель, сумматор, передающую и приемную антенны, анализаторы спектра первого и второго этапов, выполняющая двойную спектральную обработку суммы отраженного целью шумового сигнала и опорного шумового сигнала передатчика, определяющая в ходе первого и второго этапов спектральной обработки временную задержку корреляционного выброса, соответствующего дальности до цели, отличающаяся тем, что в шумовую радиолокационную станцию дополнительно введены: процессор 1, цифро-аналоговый преобразователь 3, смеситель 4, широкополосный усилитель мощности 5, гетеродин 8, смеситель 9, малошумящий усилитель 10, видеоусилитель 11, аналого-цифровой преобразователь 12, формирователь опорного сигнала 13, блоки вычисления квадратурных составляющих спектра 16 и 17, вычислитель модуля спектра 18, квадратор 19; с выхода 1 цифрового генератора шума 2 сигнал поступает на цифро-аналоговый преобразователь 3, где преобразуется в аналоговую форму, далее сигнал поступает на смеситель 4, где с помощью гетеродина 8 производится перенос спектра шумового сигнала на несущую сверхвысокую частоту, с выхода 2 цифрового генератора шума 2 сигнал поступает на формирователь опорного сигнала 13, где в каждом следующем периоде зондирования производится сдвиг сигнала по доплеровской частоте на величину, соответствующую разрешающей способности по радиальной скорости; отраженный от движущихся целей и неподвижных местных предметов сигнал поступает из приемной антенны 7 в малошумящий усилитель 10, далее усиленный сигнал поступает в смеситель 9, где с помощью гетеродина 8 спектр отраженного сигнала переносится на видеочастоту, с выхода смесителя видеочастотный сигнал поступает на видеоусилитель 11 и далее поступает в аналого-цифровой преобразователь 12; оцифрованный опорный сигнал, сдвинутый в каждом следующем периоде зондирования по доплеровской частоте на величину разрешающей способности по радиальной скорости, поступает из формирователя опорного сигнала 13 на вход 1 цифрового сумматора 14, на вход 2 которого одновременно поступает оцифрованный сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя 12, в каждом периоде зондирования цифровой сумматор 14 производит суммирование опорного сигнала, спектр которого сдвинут на величину доплеровской добавки, и отраженного сигнала; с выхода анализатора спектра первого этапа 15 комплексная спектральная плотность суммарного шумового сигнала поступает на блоки вычисления квадратурных составляющих спектра 16 и 17 и далее – на вычислитель модуля спектра 18, с вычислителя модуля спектра 18 напряжение, пропорциональное модулю спектра, поступает на квадратор 19, где напряжение, пропорциональное модулю спектра суммарного сигнала, возводится в квадрат, напряжение, пропорциональное корреляционной функции, с выхода анализатора спектра второго этапа 20 подается на устройство принятия решения 21, где сравнивается с пороговым напряжением; в случае превышения корреляционным выбросом порогового напряжения принимается решение о наличии цели, одновременно в устройстве принятия решения 21 определяется временная задержка, при которой корреляционный выброс превышает пороговое напряжение; временная задержка запоминается в памяти процессора 1, дальность до цели определяется по временной задержке, также в случае принятия решения о наличии цели рассчитывается ее радиальная скорость по количеству доплеровских добавок в N_ц периодах зондирования; после обнаружения цели в N_ц-м периоде зондирования и запоминания ее дальности и скорости формирователь опорного сигнала 13 продолжает в каждом следующем периоде зондирования сдвигать спектр сигнала по доплеровской частоте на величину, соответствующую разрешающей способности по радиальной скорости, после обнаружения очередной цели производится запоминание ее дальности и скорости, сдвиг спектра опорного сигнала по доплеровской частоте производится до тех пор, пока суммарный сдвиг доплеровской частоты будет меньше частоты, соответствующей максимальной скорости цели, затем процесс сдвига доплеровской частоты начинается сначала.