СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДВУМЕРНОГО РАДИОЛОКАЦИОННОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕКТА ПРИ ИНВЕРСНОМ СИНТЕЗЕ АПЕРТУРЫ Российский патент 2025 года по МПК G01S13/89 G01S13/90 

Изобретение относится к области моделирования радиолокационных характеристик объектов для широкополосных сигналов и может быть использовано для построения их двумерных инверсно синтезированных радиолокационных изображений (РЛИ) расчетными методами решения электродинамических задач рассеяния радиоволн.

Известен (Патент RU 2819757 С1 «Способ получения двумерного радиолокационного изображения объекта при многочастотном импульсном зондировании, обеспечивающий восстановление амплитуды и фазы отраженного сигнала», МПК: G01S 13/89 (2006.01), 10.04.2024) способ получения двумерного радиолокационного изображения объекта при многочастотном импульсном зондировании, обеспечивающий восстановление амплитуды и фазы отраженного сигнала, включающий излучение импульсов с изменением несущей частоты f 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 t_nm координат центра антенны радиолокационной системы (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, 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 секторе углов наблюдения ±Δψ образование двумерной матрицы комплексных огибающих в координатах пространственных частот 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 с - скорость света, n_l=1, …, N₁, m₁=1, …, М₁ где Δγ - величина изменения углового положения объекта за один цикл перестройки частоты, преобразование двумерной матрицы комплексных огибающих с помощью обратного быстрого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу синтезированных комплексных откликов и определение РЛИ объекта в виде совокупности всех элементов этой матрицы, преобразования двумерной матрицы синтезированных комплексных откликов с помощью прямого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу комплексных огибающих в координатах пространственных частот и получение двумерной матрицы комплексных огибающих в полярных координатах изменения несущей частоты и угла наблюдения

Данный способ взят в качестве прототипа.

Способ-прототип может использоваться при решении задач частотно-временного анализа отраженных от объектов сигналов в интересах получения радиолокационных характеристик объектов для широкополосных сигналов, необходимых для разработки перспективных и совершенствования существующих широкополосных РЛС (Варганов М.Е., Зиновьев Ю.С., Астанин Л.Ю. и др. Радиолокационные характеристики летательных аппаратов. - М. Радио и связь, 1985, С. 152-172).

Решение указанных задач требует обеспечения возможности проведения исследований для заданных характеристик разрабатываемой РЛС и условий наблюдения объектов. В процессе проведения таких исследований не всегда известны точные характеристики, форма и применяемые конструкционные материалы наблюдаемых объектов. Это приводит к необходимости изготовления большого числа макетов для выполнения экспериментальных исследований. Снижение объемов дорогостоящих измерений достигается применением методов математического моделирования. В настоящее время разработаны и апробированы методы решения электродинамических задач рассеяния радиоволн, которые, при ряде ограничений, показывают хорошую сходимость результатов расчета с данными эксперимента.

Однако способ-прототип не предусматривает возможность расчета отраженных от объекта сигналов и может быть использован только на радиолокационных измерительных комплексах (стендах) при наличии объекта исследования, либо его масштабного макета, что является существенным недостатком описанного способа.

Предлагается способ, позволяющий устранить указанный недостаток.

Задачей изобретения является обеспечение возможности получения двумерных РЛИ объекта, синтезированных по результатам расчета амплитуды и фазы отраженного от него радиолокационного сигнала в широком диапазоне изменения частот зондирования и углов локации.

Для решения указанной задачи предлагается способ получения двумерного РЛИ объекта при инверсном синтезе апертуры, включающий определение размера сектора углов наблюдения ±Δψ из условия обеспечения необходимого разрешения по продольной Δz и поперечной Δх координатам, определение количества элементов двумерной матрицы комплексных огибающих где ΔF - полоса частот зондирующего радиолокационного сигнала, Δƒ и Δγ - величины приращения частоты зондирующего радиолокационного сигнала и угла наблюдения объекта соответственно, формирование двумерной матрицы комплексных огибающих в координатах пространственных частот S(ƒ_z, ƒ_x), где - частота зондирующего радиолокационного сигнала, ψ - угол наблюдения объекта, с - скорость света, преобразование двумерной матрицы комплексных огибающих с помощью обратного быстрого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу синтезированных комплексных откликов s(z, x) и определение РЛИ объекта в виде совокупности всех элементов этой матрицы.

Согласно изобретению разрабатывают цифровую фацетно-реберную модель объекта, из требуемого разрешения и размеров получаемого РЛИ задают полосу частот зондирующего радиолокационного сигнала величину приращения частоты зондирующего радиолокационного сигнала где D - максимальный размер объекта по координате дальности и величину приращения угла наблюдения объекта где D_a3, - максимальный размер объекта по поперечной координате, f_max - максимальная частота зондирующего радиолокационного сигнала, рассчитывают границы измерения пространственных частот:

где ƒ_min - минимальная частота зондирующего радиолокационного сигнала, задают плоскость изменения угла наблюдения и расположение оси вращения объекта, рассчитывают значения амплитуды и фазы отраженного от объекта сигнала для каждого элемента двумерной матрицы комплексных огибающих с номерами (n₁, m₁) на частоте зондирующего радиолокационного сигнала при угле наблюдения объекта где n₁=1, …, N₁, m=1, …, M₁, и заносят результаты расчета в элементы матрицы комплексных огибающих для последующего преобразования матрицы в двумерную матрицу синтезированных комплексных откликов s(z,x) _все элементы которой представляют двумерное РЛИ объекта.

Технический результат изобретения заключается в получении двумерного РЛИ объекта по результатам расчета амплитуды и фазы отраженного от объекта сигнала методами решения электродинамических задач рассеяния радиоволн.

Из приведенной совокупности существенных признаков предлагаемого способа следует, что общими с прототипом являются операции определения размера сектора углов наблюдения ±Δψ из условия обеспечения необходимого разрешения по продольной Δz и поперечной Δх координатам, определения количества элементов двумерной матрицы комплексных огибающих где ΔF - полоса частот зондирующего радиолокационного сигнала, Δƒ и Δγ - величины приращения частоты зондирующего радиолокационного сигнала и угла наблюдения объекта соответственно, формирования двумерной матрицы комплексных огибающих в координатах пространственных частот S(f_z, f_x), где где ƒ - частота зондирующего радиолокационного сигнала, ψ - угол наблюдения объекта, с - скорость света, преобразования двумерной матрицы комплексных огибающих с помощью обратного быстрого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу синтезированных комплексных откликов s(z,x) и определения РЛИ объекта в виде совокупности всех элементов этой матрицы.

Операции излучения импульсов с изменением несущей частоты ƒ от импульса к импульсу с шагом Δƒ в полосе частот ΔF, измерения частоты ƒ(t_nm) зондирующих импульсов в моменты времени t_nm, где n - номер шага перестройки частоты, m - номер повторного цикла перестройки, измерения в земной системе отсчета в моменты времени t_nm координат центра антенны РЛС и координат выбранного центра синтезирования на объекте, измерения относительно земной системы отсчета угла наблюдения связанной с объектом системы отсчета с началом в центре синтезирования, приема отраженных сигналов, измерения комплексных огибающих S(t_nm) отраженных сигналов, корректировки фазы измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов к расстоянию от центра антенны РЛС до центра синтезирования, запоминания измеренных комплексных огибающих отраженных сигналов в течение времени синтезирования в угловом секторе ±Δψ исключены, так как требуют наличия широкополосной измерительной установки и физического масштабного макета исследуемого объекта.

Введены новые операции:

разработка цифровой фацетно-реберной модели объекта;

задание полосы частот зондирующего радиолокационного сигнала величины приращения частоты зондирующего радиолокационного сигнала где D - максимальный размер объекта по координате дальности и величины приращения угла наблюдения объекта где D_a3 - максимальный размер объекта по поперечной координате, ƒ_max - максимальная частота зондирующего радиолокационного сигнала исходя из требуемого разрешения и размеров получаемого радиолокационного изображения;

расчет границ измерения пространственных частот:

где ƒ_min - минимальная частота зондирующего радиолокационного сигнала;

задание плоскости изменения угла наблюдения и расположения оси вращения объекта;

расчет значений амплитуды и фазы отраженного от объекта сигнала для каждого элемента двумерной матрицы комплексных огибающих с номерами (n₁, m₁) на частоте зондирующего радиолокационного сигнала при угле наблюдения объекта где n₁=1, …, N₁, m₁=1, …, M₁;

занесение результатов расчета в элементы матрицы комплексных огибающих для последующего преобразования матрицы в двумерную матрицу синтезированных комплексных откликов s(z,x) все элементы которой представляют двумерное РЛИ объекта.

Новые операции изобретения по сравнению с прототипом позволяют синтезировать радиолокационное изображение объекта по результатам расчета амплитуды и фазы отраженного от объекта сигнала методами решения электродинамических задач рассеяния радиоволн.

Описание предлагаемого способа заключается в следующем.

Известно (Радиолокационные характеристики объектов. Методы исследования. Монография / Под ред. С.М. Нестерова - М. Радиотехника, 2015. С. 32-33), что для выполнения расчета поверхность летательного аппарата можно представить в виде набора пластин различной конфигурации и ориентации в пространстве, а также соединяющих их ребер, при этом; пластины и ребра должны стыковаться, вершины каждой пластины должны лежать в одной плоскости. Для последующего расчета элементы представления поверхности могут дополнительно классифицироваться как пластины и ребра (в том числе с применением покрытий), не учитываемые в расчетах пластины, например, моделирующие вход в полости, не учитываемые в расчетах ребра тупоугольных клиньев, ребра острых клиньев как возможные источники поверхностных волн и т.д.

Для обеспечения возможности синтеза двумерного РЛИ объекта необходимо задать исходные параметры расчета:

полосу частот ΔF, определяющую величину разрешения РЛИ по координате дальности исходя из выражения величину приращения частоты Δƒ, определяющую размер окна однозначности по координате дальности;

величину приращения угла наблюдения объекта Δγ, определяющую размер окна однозначности по поперечной координате.

Для расчета отраженного от объекта сигнала могут использоваться известные (Радиолокационные характеристики объектов. Методы исследования. Монография / Под ред. С.М. Нестерова - М. Радиотехника, 2015, С. 34-136) асимптотические методы решения задачи дифракции на сложных объектах. Например, отличия результатов расчета ЭПР летательного аппарата, полученных предложенным в источнике методом, от данных эксперимента на открытом измерительном полигоне не превышают 3 дБ.

Расчет амплитуды и фазы отраженного от объекта сигнала выполняется для каждой из пространственных частот на частоте зондирования при угле наблюдения объекта где n₁=1, …, N₁, m₁=1, …, M₁. Это позволяет заполнить двумерную матрицу комплексных огибающих в координатах пространственных частот S(ƒ_z, ƒ_x), преобразование которой с помощью обратного быстрого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу синтезированных комплексных откликов s(z, x) выполняется из выражения:

В отличие от способа-прототипа, где матрица S(ƒ_z, ƒ_x) заполняется ближайшими по частоте и углу измеренными значениями сигнала, предложенный способ позволяет выполнять расчет амплитуды и фазы отраженного от объекта сигнала непосредственно на требуемых для заполнения матрицы частотах зондирования и углах локации объекта, что позволяет исключить погрешности способа-прототипа.

Работоспособность способа проверена по результатам сравнения полученных предложенным способом двумерных РЛИ цилиндрических эталонных отражателей с результатами эксперимента, проведенного на открытом радиолокационном измерительном комплексе (РИК).

Для выполнения расчета были разработаны фацетно-реберные модели цилиндров с длиной образующей 1 м (фиг. 1а), 2 м (фиг. 1б) и диаметром основания 0,3 м. Каждая из моделей включала 31 прямоугольную фацету образующей цилиндра и по две фацеты с 32 вершинами, формирующие его торцы. Расчеты выполнялись в частотных диапазонах широкополосных измерительных установок РИК (15 ГГц и 5 ГГц при относительной полосе перестройки частоты 30%). В диапазоне 15 ГГц проводился расчет цилиндра с длиной образующей 1 м, в диапазоне 5 ГГц - цилиндра с длиной образующей 2 м.

Изображение эталонного цилиндра при проведении измерений на открытом РИК, представлено на фиг. 2.

Результаты синтеза двумерного РЛИ эталонного цилиндра с длиной образующей 1 м, полученные предложенным расчетным способом, приведены на фиг. 3в, экспериментальным способом-прототипом - на фиг. 3г.

Результаты синтеза двумерных РЛИ эталонного цилиндра с длиной образующей 2 м, полученные предложенным расчетным способом, приведены на фиг. 4д, экспериментальным способом-прототипом - на фиг. 4е.

Анализ полученных РЛИ заключался в оценке сходимости результатов расчета и эксперимента. С этой целью было использовано известное выражение для оценки качества цифровых изображений, полученных разными методами (А.В. Кокошкин, В.А. Короткое, К.В. Короткое, Е.П. Новичихин Сравнение объективных методов оценки качества цифровых изображений /Журнал радиоэлектроники №6, 2015):

где s₁(x,z) и s₂(x,z) - соответственно экспериментально полученное и расчетное РЛИ, s_1,max и s_1,min - максимальное и минимальное значения амплитуды сигнала на экспериментально полученном РЛИ.

Проведенный анализ РЛИ цилиндров с длиной образующей 1 м и 2 м, полученных предложенным способом, имеет величину отличия от экспериментальных соответственно 6,5% и 8,7%, что говорит о хорошей сходимости результатов.

Небольшие отличия экспериментальных и расчетных РЛИ обусловлены выбранным методом решения электродинамической задачи в предложенном способе и наличием погрешностей измерения характеристик на открытом РИК при использовании способа-прототипа. Например, ввиду того, что при проведении измерений на открытом РИК с гибкой системой подвеса сложно обеспечить точное позиционирование объекта измерения относительно РЛС, на РЛИ цилиндра 1 м, приведенном на фиг. 3г, сформировался центр рассеяния только от одного из торцов цилиндра. По той же причине центры рассеяния торцов цилиндра на РЛИ цилиндра 2 м (фиг. 4е) имеют разные интенсивности. Кроме того, на экспериментальных РЛИ, полученных по способу-прототипу, присутствует дополнительный шум, обусловленный использованием при преобразовании ближайших значений измеренного сигнала, что исключается в предложенном способе.

Представленные результаты показывают, что предложенный способ обеспечивает возможность получения двумерных РЛИ объекта, синтезированных по результатам расчета амплитуды и фазы отраженного сигнала в широком диапазоне изменения частот зондирования и углов локации.

Изобретение относится к области моделирования радиолокационных характеристик объектов для широкополосных сигналов и может быть использовано для построения их двумерных инверсно синтезированных радиолокационных изображений (РЛИ) расчетными методами решения электродинамических задач рассеяния волн. Техническим результатом является получение двумерного радиолокационного изображения объекта, синтезированного по результатам расчета амплитуды и фазы отраженного от него радиолокационного сигнала в широком диапазоне изменения частот зондирования и углов локации. В заявленном способе разрабатывают цифровую фацетно-рёберную модель объекта, из требуемого разрешения и размеров получаемого РЛИ задают полосу частот зондирующего радиолокационного сигнала, величины приращения частоты зондирующего радиолокационного сигнала и угла наблюдения объекта, рассчитывают границы измерения пространственных частот, задают плоскость изменения угла наблюдения и расположение оси вращения объекта, осуществляют расчет значений амплитуды и фазы отраженного от объекта сигнала для каждого элемента двумерной матрицы комплексных огибающих в координатах пространственных частот и последующее преобразование матрицы с помощью обратного двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу синтезированных комплексных откликов, все элементы которой представляют двумерное РЛИ объекта. 4 ил., 1 табл.

Способ получения двумерного радиолокационного изображения объекта при инверсном синтезе апертуры, включающий определение размера сектора углов наблюдения ±Δψ из условия обеспечения необходимого разрешения по продольной Δz и поперечной Δх координатам, определение количества элементов двумерной матрицы комплексных огибающих где ΔF - полоса частот зондирующего радиолокационного сигнала, Δƒ и Δγ - величины приращения частоты зондирующего радиолокационного сигнала и угла наблюдения объекта соответственно, формирование двумерной матрицы комплексных огибающих в координатах пространственных частот S(ƒ_z, ƒ_x), где ƒ - частота зондирующего радиолокационного сигнала, ψ - угол наблюдения объекта, с - скорость света, преобразование двумерной матрицы комплексных огибающих с помощью обратного быстрого двумерного преобразования Фурье в двумерную матрицу синтезированных комплексных откликов s(z,x) и определение радиолокационного изображения объекта в виде совокупности всех элементов этой матрицы, отличающийся тем, что разрабатывают цифровую фацетно-рёберную модель объекта, из требуемого разрешения и размеров получаемого радиолокационного изображения задают полосу частот зондирующего радиолокационного сигнала величину приращения частоты зондирующего радиолокационного сигнала где D - максимальный размер объекта по координате дальности, и величину приращения угла наблюдения объекта где D_aз - максимальный размер объекта по поперечной координате, ƒ_mаx - максимальная частота зондирующего радиолокационного сигнала, рассчитывают границы измерения пространственных частот:

где ƒ_min - минимальная частота зондирующего радиолокационного сигнала, задают плоскость изменения угла наблюдения и расположение оси вращения объекта, рассчитывают значения амплитуды и фазы отраженного от объекта сигнала для каждого элемента двумерной матрицы комплексных огибающих с номерами (n₁, m₁) на частоте зондирующего радиолокационного сигнала при угле наблюдения объекта , где n₁=1, …, N₁, m_l=1, …, М₁, и заносят результаты расчета в элементы матрицы комплексных огибающих для последующего преобразования матрицы в двумерную матрицу синтезированных комплексных откликов s(z,x), все элементы которой представляют двумерное радиолокационное изображение объекта.