Способ измерения высоты объектов на базе многоканальной рлс

Способ измерения высоты объектов на базе многоканальной рлс

Реферат

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным системам наблюдения за объектами на базе бортовой или наземной РЛС, работающей в режиме "реального луча" (РЛ) с одной многоканальной антенной, где многоканальность достигается или наличием большого числа пространственно разнесенных приемных элементов типа фазированной антенной решетки или за счет частотного (фазового) сканирования излучаемого сигнала [1]. При наблюдении за объектами на поверхности или в воздушном пространстве с помощью таких систем возникает необходимость измерения высоты объектов.

Известен интерферометрический фазовый метод измерения угла места в каждом разрешаемом по дальности и азимуту элементе [2, с.349-353]. Однако он требует специальной антенной системы - интерферометра. К недостаткам такого метода можно отнести следующее:

1) для реализации метода требуются две разнесенные в пространстве ненаправленные антенны;

2) на точность измерения высоты влияет растительность подстилающей поверхности, однако переход в длинноволновый диапазон требует увеличения базы интерферометра (разнесения антенн);

3) сферический фронт волны (особенно на малой дальности) в данном элементе разрешения дальности накрывает лишь часть поверхности протяженного объекта.

Известны также амплитудный и амплитудно-фазовый моноимпульсный методы измерения угла места с помощью пеленгационной характеристики [3, с.424-428], получаемой при смещении луча РЛС.Однако такие способы рассчитаны на обнаружение одиночных воздушных объектов.

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения высоты, основанный на сканировании луча РЛС по углу места в вертикальной плоскости [3, с.463]. В соответствии с данным способом для измерения высоты воздушного объекта при известном его азимутальном положении осуществляют качание (сканирование) луча РЛС в вертикальной плоскости и определяют значение угла места (центра луча, при котором амплитуда отраженного сигнала максимальна. При этом высоту объекта (относительно наблюдателя) для наземной РЛС вычисляют по формуле

где R - радиальная дальность до объекта.

Соответственно для бортовой РЛС высота объекта

где h - высота полета носителя РЛС.

Однако такой способ обладает следующими недостатками.

1. Способ рассчитан на измерение высоты одиночных объектов и не работает при наличии группы объектов в измеряемой области.

2. Способ не рассчитан на измерение высоты объектов на поверхности и в этом случае требует определенной модификации.

3. Абсолютная погрешность Δ_Н измерения высоты объекта относительно нулевого уровня составляет

где Δ_h - абсолютная погрешность измерения высоты полета носителя РЛС; Δ_θ - абсолютная погрешность измерения угла места наблюдаемого объекта, равная половине ширины луча Δθ на уровне 0,5 мощности: Δ_θ=Δθ/2. Например, для что недопустимо.

Технический результат направлен на увеличение точности измерения высоты наземных и воздушных объектов при заданном угле места в диапазоне дальности расположения объектов.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что способ измерения высоты наземных и воздушных объектов на базе многоканальной РЛС заключается в последовательном смещении луча РЛС в вертикальной плоскости против часовой стрелки на малую (2n+1)-ю часть ширины диаграммы направленности антенны (ДН) размером в 2n+1 элементов дискретизации на уровне 0,5 мощности при заданном азимуте, отличающийся тем, что при каждом j-м положении луча в i-x элементах разрешения дальности измеряют амплитуды отраженного сигнала в квадратурных каналах фазового детектирования (С - косинусном и S - синусном) одновременно в каждом q-м приемном канале антенной системы, состоящей из большого числа Q(Q≥2n+1) разнесенных по фазе приемных элементов, при этом измерения суммируют с весами найденными заранее, далее извлекают корень из суммы квадратов результатов суммирования, тем самым оценивают амплитуду x(i, j) отраженного сигнала, соответствующего центру j-го луча (центральному элементу дискретизации ДН) в i-x элементах дальности

в процессе сканирования луча фиксируют момент, когда амплитуда превышает заданный порог обнаружения хотя бы в одном элементе дальности, и определяют k+1-e предельное положение луча, при котором оценки амплитуды во всех i-x элементах дальности заданного диапазона оказываются ниже порога, и вычисляют высоту Н объекта по формуле

,

где R_i - расстояние по наклонной дальности между РЛС, расположенной на высоте h, и i-м элементом разрешения дальности с максимальным значением оценки амплитуды при k-м положении луча, θ_k - угол места центра k-го луча, отсчитываемый в положительном направлении по часовой стрелке от горизонтальной плоскости положения носителя РЛС.

Способ осуществляют следующим образом.

1. Луч РЛС последовательно смещают по углу места (по j) на величину (2n+1)-й части ширины ДН размером в 2n+1 элементов дискретизации на уровне 0,5 мощности, начиная с нижнего заданного предельного положения луча. Антенная система состоит из большого числа Q(Q≥2n+1) приемных элементов, разнесенных по фазе принимаемого сигнала [1].

2. При каждом j-м положении луча в i-x элементах разрешения дальности заданного диапазона измеряют амплитуды отраженного сигнала квадратурных каналах фазового детектирования (С - косинусном и S - синусном) одновременно в каждом q-м приемном канале .

3. Результаты измерений в каждом i-м элементе дальности суммируют с весами найденными заранее по определенной методике, тем самым оценивают косинусную и синусную составляющие амплитуды x(i, j) отраженного сигнала, соответствующего центру луча (ДН)

и вычисляют оценки амплитуд отраженного сигнала в j-м синтезированном элементе разрешения угла места по формуле

4. Фиксируют j-й момент, когда оценка амплитуды превышает порог обнаружения сигнала отражения хотя бы в одном i-м элементе дальности , затем определяют предельное k+1-e положение луча, при котором оценки амплитуды во всех i-x элементах дальности оказываются ниже порогового значения.

5. Вычисляют высоту Н объекта по формуле

,

где R_i - расстояние по наклонной дальности между РЛС, расположенной на высоте h, и i-м элементом разрешения дальности с максимальным значением оценки амплитуды при k-м положении луча, θ_k - угол места центра k-го луча, отсчитываемый в положительном направлении по часовой стрелке от горизонтальной плоскости положения носителя РЛС.

Абсолютная погрешность измерения высоты при этом составляет

и при Δ_h=0 (для наземной РЛС) в 2n+1 раз меньше погрешности альтернативного способа. Например, для 2n+1=21, Δθ=1°, R=1000 м ⇒ Δ_H≈Δ_h+0,4 м, а при R=10 км ⇒ Δ_H≈Δ_h+4 м.

Расчет весовых коэффициентов сводится к следующему. Модель комплексной огибающей отраженного сигнала (например [4, с.13-14]), прошедшего тракт первичной обработки, на выходе фильтров низких частот квадратурных каналов фазового детектирования q-го приемного канала имеет вид

где Q - число приемных каналов; - сигнал в квадратурных каналах фазового детектирования с измеряемой амплитудой s_q(t) и измеряемой фазой - нормированные комплексные коэффициенты ДН q-го канала, характеризующие интенсивность прихода сигналов от j-го углового направления относительно центрального направления; - полезная составляющая сигнала с амплитудой x_j(t), несущей информацию о поле отражения, и фазой ϕ_j(t); Δϕ_q(j) - известный фазовый сдвиг при приеме отраженного сигнала с j-го углового направления q-м приемным элементом; - комплексный гауссовский белый шум, действительная ξ_q(t) и мнимая η_q(t) составляющие которого распределены по нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и дисперсией . Амплитуды х_j(t) и фазы ϕ_j(t) в общем случае случайны по j-м элементам дискретизации, а также на множестве положений антенны и их статистические характеристики определены. Представим (1) в виде

где

Сигнал в (2) содержит действительную и мнимую составляющие

где

Выражение (3) представляет систему 2Q уравнений с 2N неизвестными причем

где - среднее значение амплитуды, Δx_j(t) - ee случайное отклонение.

После стробирования сигнала в j-х элементах разрешения дальности на промежутке получается следующая общая модель измерения в q-м канале в 1-м элементе дальности при j-м положении луча

Так как корреляцией сигналов в соседних i-x стробах дальности можно пренебречь, то обработка измерений ведется независимо в i-x элементах разрешения дальности.

Отношение сигнал-шум по мощности в модели (3) при допущении , примерно равно , где L - число повторений измерений, и значительно выше, чем в моноимпульсных сканирующих системах с амплитудным детектированием [5, 6]:

где отношение сигнал-шум составляет примерно независимо от мощности полезного сигнала . Соответственно точность оценивания амплитуды х_j(t) в элементах дискретизации угла места и, как следствие, разрешающая способность по углу в предложенном способе значительно выше, чем в [5, 6].

Дальнейшее увеличение отношения сигнал-шум осуществляется в процессе алгоритмической обработки (3)-(4) за счет избыточного числа каналов измерения: Q>2n+1.

Оптимальное оценивание сводится к следующему. Выражения (3)-(4) представляются в матричной форме

где Y - 2Q-вектор измерений - матрица коэффициентов ДН - вектор параметров поля отражения подлежащих оцениванию; Р - 2Q-вектор помех ξ_q и η_q.

Матричная запись (7) в случае некоррелированных помех Р позволяет находить стандартные МНК-оценки 2N-вектора X:

где - матрица весовых коэффициентов; δ - параметр регуляризации, необходимый для обращения плохо обусловленной матрицы А^TА, который с позиции статистической регуляризации [7, с.76-82] для некоррелированных полей имеет смысл отношения дисперсий

Точность оценивания (8) характеризуется корреляционной матрицей К_ΔX ошибок оценивания :. При этом наибольшая точность при малом числе каналов Q (Q≥N) достигается для тех составляющих вектора , которые соответствуют центру j-го луча (j₁=0). Эти составляющие вычисляются по формулам

где , - весовые коэффициенты центральной строки матрицы Н, соответствующие наименьшей дисперсии ошибки оценивания (в общем случае зависящие от j-го положения луча вследствие возможного изменения формы ДН при электронном сканировании), и используются для вычисления оценки амплитуды центрального элемента дискретизации угла места в каждом i-м элементе дальности

Предложенный способ позволяет измерять высоту наземных или группы воздушных объектов с помощью одной многоканальной антенны в режиме РЛ с более высокой точностью по сравнению с известными способами измерения высоты с помощью одной сканирующей антенны за счет дополнительной алгоритмической обработки амплитуд отраженных сигналов. Это дает возможность обнаруживать и измерять высотные препятствия при маловысотном полете, что увеличивает безопасность таких полетов, а также разрешать по азимуту (высоте) близко расположенные воздушные объекты.

Литература

1. Воскресенский Д.И. Антенны с обработкой сигнала: Учеб. пособие для вузов. - М.: САЙНС-ПРЕСС, 2002. 80 с.

2. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов. / Под ред. Г.С.Кондратенкова. - М.: "Радиотехника", 2005. 368 с.

3. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебник для вузов. - М.: Радио и связь, 1983. 536 с.

4. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны. / В.Н.Антипов, В.Т.Горяинов, А.Н.Кулин, Толстов Е.Ф. и др./ Под ред. В.Т.Горяинова. - М.: Радио и связь, 1988. 304 с.

5. Пат.RU 2249832 С1. Способ наблюдения за поверхностью / В.К.Клочко, Г.Н.Колодько, В.И.Мойбенко, А.А.Ермаков. МПК: G01S 13/02, H01Q 21/00. Приоритет 02.09.2003. Опубл.: 10.04.2005. Бюл. №10.

6. Пат. RU 2256193 С1. Способ наблюдения за поверхностью и воздушной обстановкой / В.К.Клочко, Г.Н.Колодько, В.И.Мойбенко, А.А.Ермаков. МПК: G01S 13/02. Приоритет 08.12.2003. Опубл.: 10.07. 2005. Бюл. №19.

7. Василенко Г.И., Тараторин А.М. Восстановление изображений. - М.: Радио и связь, 1986. 304 с.

Способ измерения высоты наземных и воздушных объектов на базе многоканальной РЛС, заключающийся в последовательном смещении луча РЛС в вертикальной плоскости против часовой стрелки на малую (2n+1)-ю часть ширины диаграммы направленности антенны (ДН) размером в 2n+1 элементов дискретизации на уровне 0,5 мощности при заданном азимуте, отличающийся тем, что при каждом j-м положении луча в i-x элементах разрешения дальности заданного диапазона измеряют амплитуды , отраженного сигнала в квадратурных каналах фазового детектирования (С - косинусном и S - синусном) одновременно в каждом q-м приемном канале антенной системы, состоящей из большого числа Q(Q≥2n+1) разнесенных по фазе приемных элементов, при этом измерения , , суммируют с весами , , , найденными заранее, далее извлекают корень из суммы квадратов результатов суммирования, тем самым оценивают амплитуду x(i, j) отраженного сигнала, соответствующего центру j-го луча (центральному элементу дискретизации ДН) в i-x элементах дальности:

в процессе сканирования луча фиксируют момент, когда амплитуда превышает заданный порог обнаружения хотя бы в одном i-м элементе дальности , и определяют k+1-e предельное положение луча, при котором оценки амплитуды во всех i-x элементах дальности заданного диапазона оказываются ниже порога, и вычисляют высоту Н объекта

H=h - R_isinθ_k,

где R_i - расстояние по наклонной дальности между РЛС, расположенной на высоте h, и i-м элементом разрешения дальности с максимальным значением оценки амплитуды при k-м положении луча, θ_k - угол места центра k-го луча, отсчитываемый в положительном направлении по часовой стрелке от горизонтальной плоскости положения носителя РЛС.