Способ повышения разрешающей способности радиолокационной станции по дальности и азимуту

Способ повышения разрешающей способности радиолокационной станции по дальности и азимуту

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным станциям (РЛС), работающим в режиме "реального луча" с последовательным смещением луча по азимуту на долю ширины диаграммы направленности антенны (ДНА) и последовательно смещенных стробов дальности на часть строба дальности.

Режим реального луча используется в современных бортовых РЛС при переднем обзоре, например в маловысотном полете и для совершения посадки после предварительного обнаружения посадочной площадки при боковом или переднебоковом обзоре. При этом разрешение РЛС по азимуту φ оказывается равным эффективной ширине диаграммы направленности антенны (ДНА), что недостаточно для различения малоразмерных объектов на поверхности, и требуется повысить разрешение по азимуту (осуществить обужение ДНА) при переднем обзоре. Разрешение по дальности R определяется шириной строба дальности - ключевого устройства, пропускающего сигнал на узком промежутке времени, длина которого равна длительности импульсного сигнала РЛС, и определяет размер элемента разрешения по дальности ΔR. Однако размер ΔR элемента разрешения дальности ограничен параметрами приемного и передающего устройств и не может быть уменьшен без увеличения стоимости аппаратуры. В связи с этим возникает также проблема повышения разрешающей способности РЛС по дальности с целью повышения качества радиолокационного изображения.

Известен способ повышения разрешения по азимуту при боковом или переднебоковом обзоре для РЛС, работающей в режиме синтезирования апертуры антенны или доплеровского обужения (Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны (В.Н.Антипов, В.Т.Горяинов, А.Н. Кулин и др. Под ред. В.Т.Горяинова. - М.: Радио и связь. 1988. 304 с.), который позволяет использовать узкополосную доплеровскую селекцию (фильтрацию) амплитуды отраженного сигнала по частоте (связанной с азимутом). В результате осуществляется значительное (в десятки и сотни раз) обужение диаграммы направленности антенны (ДНА), что позволяет на множестве элементов разрешения по дальности (по i-м строкам) и по азимуту (по j-м столбцам) сформировать матрицу радиолокационного изображения (РЛИ) поверхности, i-, j-e элементы которой представляют амплитуду сигнала, зафиксированного в i-м элементе по дальности для j-го фильтра частот. Разрешение по дальности остается ограниченным шириной строба дальности. При переднем обзоре режим синтезирования апертуры не используется (не работает) и для обужения ДНА требуются другие подходы.

Наиболее близким по технической сущности является способ обужения ДНА в режиме реального луча по данным суммарного и разностного каналов (Роде Д.Р. Введение в моноимпульсную радиолокацию, М.: Сов. Радио. 1960, с.86-87), который заключается в следующем.

1. Формируются суммарная α(φ) и разностная β(φ) амплитудные характеристики ДНА в виде зависимостей амплитудных коэффициентов усиления антенны α или β от азимута φ.

2. Из суммарной амплитудной характеристики α(φ) вычитается с определенным коэффициентом разностная характеристика β(φ):

или ,

где регулировка коэффициента k позволяет контролировать эффективную ширину синтезированной ДНА антенны.

3. Полученная таким образом амплитудная характеристика ДНА γ(φ) имеет меньшую эффективную ширину по сравнению с α(φ) и достигается обужение ДНА в 2-3 раза.

Однако такой способ обладает следующими недостатками.

Обужение по азимуту в 2-3 раза достигается в воздушном пространстве, где число целей ограничено и их нет в зоне боковых лепестков суммарной ДНА в пределах разностной ДНА, при наблюдении наземных объектов, наблюдение которых является главной задачей получения радиолокационных изображений, этот сигнал препятствует повышению разрешающей способности. Разрешение по дальности при этом не меняется (не улучшается).

Описанные аналоги имеют лишь общую постановку задачи и принципиально отличаются от предлагаемого способа повышения разрешающей способности РЛС в математической реализации.

Технический результат предлагаемого технического решения направлен на повышение разрешающей способности по дальности и азимуту (обужение ДНА) с одновременным расширением зоны обзора РЛС.

Технический результат достигается тем, что способ повышения разрешающей способности РЛС по дальности и азимуту, заключающийся в формировании матрицы радиолокационного изображения в режиме реального луча с электронным сканированием и с последовательным смещением луча РЛС по азимуту на величину n-й части ширины диаграммы направленности антенны (ДНА), которая равна элементу повышения разрешения по азимуту, и с последовательным смещением длины стробов дальности на m-ю часть, которая равна элементу повышения разрешения по дальности, далее по полученным данным производят обработку раздельно для азимута (обрабатываются строки сформированной матрицы) и раздельно для дальности (обрабатываются столбцы сформированной матрицы), по аналогичному алгоритму, отличающемуся только весовыми коэффициентами K_j, при этом по отчетам сигнала А(1), А(2), ... А(n), пронумерованного в порядке смещения положений ДНА, выполняют преобразование Фурье:

где: A_j - последовательность отчетов сигнала при перестройке ДНА по азимутной строке;

j - номер элемента дискредитации по азимуту;

i - номер элемента спектра;

N - количество азимутальных положений;

- опорная функция преобразования Фурье,

и последующее обратное преобразование с нахождением элементов более высокого разрешения выделяемого объекта a_j:

где:

β - отсчеты спектра;

k - степень повышения разрешения;

K_j - весовые коэффициенты.

Предлагаемый способ повышения разрешающей способности по азимуту осуществляется следующим образом.

В режиме реального луча разрешение РЛС по азимуту оказывается равным эффективной ширине диаграммы направленности антенны, что недостаточно для различения малоразмерных объектов на поверхности.

Формирование радиолокационного изображения в режиме реального луча РЛС приближенно показано на фиг.1. С помощью РЛС, установленной на летательном аппарате (носителе РЛС), путем механического (или электронного для фазированных антенных решеток) смещения во времени на n-ю часть диаграммы направленности антенны (ДНА) по азимуту формируются азимутальные отсчеты радиолокационного изображения. Совокупность всех азимутальных отсчетов формируют зону обзора (ЗО) по азимуту от левой границы β_зол до правой β_зоп, разделенных биссектрисой сектора обзора (БСО). Луч ДНА имеет "игольчатую" форму с параметрами: по азимуту ξ_ДНА и по углу места β_ДНА. Элемент разрешения по дальности образуется шаровым слоем с центром в точке нахождения РЛС, толщина которого соответствует разрешающей способности по дальности, и определяется минимальным временем накопления сигнала. При этом образуется радиолокационное РЛ-"пятно" ДНА на поверхности земли в виде усеченного овала с элементами разрешения по дальности (фиг.2), которые записываются в прямоугольный массив в виде столбца по дальности одного азимутального отсчета (фиг.3). За короткий промежуток времени формируется матрица радиолокационного изображения поверхности в координатах азимут-дальность без существенных динамических ошибок (связанных с движением объекта-носителя РЛС), однако из-за искусственного перекрытия лучей полученное изображение оказывается смазанным по азимуту.

За период обзора формируется матрица радиолокационного изображения поверхности в координатах азимут-дальность без существенных динамических ошибок (связанных с движением объекта-носителя РЛС). В связи с этим возникает необходимость алгоритмической обработки полученного радиолокационного изображения поверхности с целью восстановления исходного поля отражения, т.е. устранения смазывания.

Пример конкретного выполнения.

Искомое поле отражения представлено совокупностью амплитуд отраженных сигналов x(l,j) в l, j-x элементах дискретизации в виде матрицы искомого изображения х(l,j), , , где l - номер элемента дискретизации до дальности, j - номер элемента дискретизации по азимуту, причем размер элемента дискретизации по дальности совпадает с размером элемента разрешения, а по азимуту в n=2m+l раз меньше ширины главного лепестка ДНА луча РЛС (апертуры системы наблюдения).

В последовательности дискретных моментов времени t₁, t₂, ..., t_N на малом промежутке времени [t₁,t_N] центральное направление луча РЛС последовательно занимает N положений по строке (по азимуту), каждый раз смещаясь на один элемент дискретизации по j .

На фиг.4, 5, 6 представлен пример формирования отраженного сигнала от 2 радиоконтрастных объектов. Интерес представляет случай, когда объекты расположены в пространстве на расстоянии не более половины ширины ДНА (фиг.4). Последовательный сдвиг на ширину n-й части ДНА, как показано на фиг.5, приводит к формированию n амплитуд отраженного сигнала. При этом цели, расположенные в пределах ширины ДНА, сливаются (фиг.6) и воспринимаются как одна.

Повышение разрешающей способности достигается следующим способом. (Вывод формулы обратного преобразования не используется в алгоритме повышения разрешения, используется только конечная формула, которая и является преобразованием, аналогичным преобразованию Фурье.)

Пусть A_j - последовательность отсчетов сигнала при перестройке ДНА по азимутальной строке. Каждый отсчет сигнала состоит из k элементов более высокого разрешения:

где K_j - весовой коэффициент, определяемый ДНА,

a_j - выделяемый объект.

По данным последовательности отсчетов сигнала при перестройке ДНА по азимутальной строке (в каждом из стробов дальности) выполняется прямое преобразование Фурье сигнала:

Соответственно, результат преобразования Фурье может быть записан как

После перегруппировки, без учета крайних членов, получаем

или та же запись:

Для нахождения выделяемого объекта a_j, т.е. повышения разрешающей способности, выполняется обратное преобразование, аналогичное преобразованию Фурье

Таким образом, выполняя обратное преобразование, получают восстановленное изображение, соответствующее разрешению сверх дифракционного предела, а следовательно, и повышение четкости изображения.

С точки зрения реализации с помощью технических устройств алгоритм имеет следующий вид. Принимаемый антенной суммарный сигнал поступает в приемо-задающий модуль (ПЗМ) через циркулятор. В ПЗМ принятый сигнал подается на входное приемное устройство. В канале сигнал через управляемое импульсом бланкирования приемника (ИБП) защитное устройство, малошумящий усилитель (МШУ) и фильтр зеркальных каналов подается на смеситель. На смеситель подается и сигнал первого гетеродина. После преобразования на первую промежуточную частоту принятый сигнал через ключ (управляемый импульсом ИБП) подается на устройство усиления промежуточной частоты (УПЧ). В устройстве УПЧ сигнал усиливается, фильтруется и через аттенюатор подается на смеситель. На смеситель через усилитель подается также сигнал второго гетеродина. После преобразования на вторую промежуточную частоту принятый сигнал усиливается и подается на модуль предварительной обработки сигнала. В аналоговой части блока сигнал усиливается с регулируемым с помощью аттенюатора усилением, фильтруется, преобразуется на видеочастоту и подается на АЦП. После преобразования в цифровую форму выполняется сжатие принятого ФКМ (фаза-кодовая манипуляция) сигнала (оптимальная фильтрация) и выдача сигнала в модуль обработки сигнала. В модуль обработки сигнала приходят реальная и мнимая квадратуры отраженного сигнала с заданной длиной строба дальности и заданным количеством стробов дальности, далее на четырех процессорах модуля производится обработка сигнала, приведенная в формуле изобретения.

Способ повышения разрешающей способности РЛС по дальности и азимуту, заключающийся в формировании матрицы радиолокационного изображения в режиме реального луча с электронным сканированием и с последовательным смещением луча РЛС по азимуту на величину n-ой части ширины диаграммы направленности антенны (ДНА), которая равна элементу повышения разрешения по азимуту, и с последовательным смещением длины стробов дальности на m-ю часть, которая равна элементу повышения разрешения по дальности, далее по полученным данным производят обработку раздельно для азимута (обрабатываются строки сформированной матрицы) и раздельно для дальности (обрабатываются столбцы сформированной матрицы) по аналогичному алгоритму, отличающемуся только весовыми коэффициентами K_j, при этом по отчетам сигнала А(1), А(2), ... А(n), пронумерованного в порядке смещения положений ДНА, выполняют преобразование Фурье:

где A_J - последовательность отчетов сигнала при перестройке ДНА по азимутной строке;

j - номер элемента дискредитации по азимуту;

i - номер элемента спектра;

N - количество азимутальных положений;

- опорная функция преобразования Фурье,

и последующее обратное преобразование с нахождением элементов более высокого разрешения выделяемого объекта а_j:

где β - отсчеты спектра;

k - степень повышения разрешения;

K_j - весовые коэффициенты.