Способ формирования радиолокационного изображения объектов

Способ формирования радиолокационного изображения объектов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к способам и технике радиолокации, и может использоваться для формирования радиолокационного изображения объектов в интересах их распознавания.

Аналогом является способ обработки сигналов в РЛС, основанный на использовании специфического эффекта преобразования спектра зондирующего сигнала (ЗС) объектом с нелинейными электрическими свойствами (ОЭНС), включающий прием эхо-сигналов от ОЭНС на второй и третьей гармониках ЗС, обработку и индикацию их уровней для распознавания ОЭНС оператором (см., например, нелинейный радиолокатор «Люкс» [1]). Это обусловлено тем, что обычно радиолокационные цели, содержащие ОЭНС с полупроводниковыми компонентами, имеют на второй гармонике уровень сигналов отклика на 20-30 дБ более высокий, чем на третьей гармонике. Для ОЭНС контактного типа, как правило, выполняется обратное соотношение. Недостатками данного способа-аналога являются: низкая угловая разрешающая способность, а также ненадежность признака сравнения уровней эхо-сигналов от ОЭНС на второй и третьей гармониках ЗС и его информативность для радиолокационных целей, имеющих только нелинейности либо первого, либо второго типа. Таким образом, обработка сигналов в РЛС указанным способом не позволяет получать радиолокационные изображения (РЛИ) ОЭНС, являющиеся наиболее информативными при распознавании. Здесь под РЛИ понимается распределение нелинейной эффективной площади рассеяния (НЭПР) в пространстве по координатам «дальность - угловая координата».

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к заявляемому способу формирования радиолокационного изображения объектов является способ формирования радиолокационного изображения целей, при котором в РЛС реализуется алгоритм синтезирования апертуры (СА) антенны [2, с.178-186]. Синтезирование апертуры антенны сопровождается повышением угловой разрешающей способности РЛС. Однако используемые при реализации данного алгоритма процедуры не учитывают возможного для многих радиолокационных целей преобразования спектра ЗС ОЭНС, что не позволяет формировать РЛИ объектов с нелинейными электрическими свойствами.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение информативности радиолокационного изображения объектов, формируемого РЛС с синтезированной апертурой антенны.

Техническим результатом изобретения является увеличение значения нормированной взаимной корреляционной функции формируемого радиолокационного изображения и эталона.

Указанный результат достигается тем, что в известном способе формирования радиолокационного изображения целей, заключающемся в формировании сигнала, соответствующего радиолокационному изображению объектов на несущей частоте зондирующего сигнала радиолокационной станции, дополнительно формируют сигналы, соответствующие радиолокационным изображениям объектов на частотах второй и третьей гармоник зондирующего сигнала аналогично формированию сигнала, соответствующего радиолокационному изображению объектов на несущей частоте зондирующего сигнала с учетом начала приема траекторных сигналов на частотах второй и третьей гармоник зондирующего сигнала позже, чем на несущей частоте зондирующего сигнала, на временные интервалы Δt₂=Т_s/4 и Δt₃=T_s/3 соответственно, где T_s - временной интервал синтезирования апертуры антенны на несущей частоте зондирующего сигнала и окончания приема траекторных сигналов на частотах второй и третьей гармоник зондирующего сигнала раньше, чем на несущей частоте зондирующего сигнала, на временные интервалы Δt₂=T_s/4 и Δt₃=T_s/3 соответственно и получают сигнал, соответствующий результирующему радиолокационному изображению, путем суммирования сигналов, соответствующих радиолокационным изображениям, сформированным на несущей частоте зондирующего сигнала и на частотах второй и третьей гармоник зондирующего сигнала.

Сущность заявляемого способа заключается в следующем. Сначала в известном способе формирования радиолокационного изображения целей, основанном на реализации в РЛС алгоритма синтезирования апертуры антенны [2, с.178-186], получают сигнал, соответствующий радиолокационному изображению, на несущей частоте ЗС, а также дополнительно формируют сигналы, соответствующие радиолокационным изображениям, на частотах второй и третьей гармоник зондирующего сигнала аналогично процессу создания сигнала, соответствующего радиолокационному изображению, на несущей частоте ЗС. Формирование сигналов, соответствующих радиолокационным изображениям, на частотах второй и третьей гармоник зондирующего сигнала имеет свои особенности. С увеличением номера гармоники ЗС в соответствии с выражением в , где θ_0,5^- ширина диаграммы направленности приемной антенны по уровню половинной мощности на несущей частоте ЗС; n - номер гармоники ЗС (n=2, 3), уменьшается ширина диаграммы направленности приемной антенны РЛС. При этом, во-первых, уменьшается временной интервал синтезирования апертуры антенны, который в случае бокового обзора [2, с.48-49], θ_0,5<<1 и угла наблюдения (см. фиг.1) определяется для траекторного сигнала на несущей частоте ЗС в соответствии с [2, с.36] как , где r - дальность до объекта, радиолокационное изображение которого требуется получить; V - скорость движения носителя РЛС. Тогда для траекторных сигналов на частотах второй и третьей гармоник ЗС временные интервалы СА антенны составят соответственно и . Во-вторых, полный просмотр заданной полосы обзора по азимуту ΔL будет обеспечен только на несущей частоте ЗС, в то время как более узкие диаграммы направленности приемной антенны РЛС на частотах второй и третьей гармоник ЗС приведут к смещению соответствующих полос обзора по азимуту относительно ΔL. Так, полосы обзора на второй и третьей гармониках зондирующего сигнала будут больше ΔL на величины δl₂=V(T_S-T_S2) и δl₃=V(T_S-T_S3) соответственно (см. фиг.1). Для устранения смещения начинают прием траекторных сигналов на частотах второй и третьей гармоник зондирующего сигнала позже, чем на несущей частоте зондирующего сигнала, на временные интервалы и соответственно, а заканчивают прием траекторных сигналов на частотах второй и третьей гармоник зондирующего сигнала раньше, чем на несущей частоте зондирующего сигнала, на временные интервалы

и соответственно. Затем получают сигнал, соответствующий результирующему радиолокационному изображению, путем суммирования сигналов, соответствующих радиолокационным изображениям, сформированным на несущей частоте ЗС и на частотах второй и третьей гармоник ЗС. Так как РЛИ представляет собой набор дискретных точек различной яркости, отображаемых системой индикации, то сигнал, соответствующий этому радиолокационному изображению, является совокупностью элементарных сигналов различной интенсивности в виде прямоугольной матрицы, имеющей М строк и N столбцов. При этом количество строк М матрицы определяется числом каналов дальности, а количество столбцов N - числом отсчетов по азимуту в полосе обзора ΔL. В случае бокового обзора [2, с.48-49] (угол наблюдения , как показано на фиг.1): , где r_max - расстояние от фазового центра приемной антенны РЛС до дальней границы зоны обзора по дальности; r_min - расстояние от фазового центра приемной антенны РЛС до ближней границы зоны обзора по дальности; r_min - разрешающая способность по дальности и , где Δl - разрешающая способность по поперечной дальности. Значения разрешающих способностей по поперечной дальности, определенные для несущей частоты ЗС и для частот второй и третьей гармоник ЗС, составляют соответственно: , где λ - длина волны ЗС; , где λ₂ - длина волны второй гармоники ЗС; , где λ₃ - длина волны третьей гармоники ЗС. Подставляя в приведенные выражения для Δl, Δl₂ и Δl₃ соответствующие значения длин волн λ, λ₂ и λ₃, а также временного интервала синтезирования апертуры антенны T_s, T_s2 и Т_s3, получаем Δl=Δl₂=Δl₃. Из вышеизложенного следует, что сигналы, соответствующие РЛИ, сформированные на несущей частоте ЗС, частотах второй и третьей гармоник ЗС, каждый из которых является совокупностью элементарных сигналов различной интенсивности, будут представлены матрицами, каждая из которых имеет М строк и N столбцов. В качестве примера выберем r_max=2,3 м; r_min=2 м; Δr=0,05 м; ΔL=0,6 м; Δl=0,05 м. Тогда ; . Таким образом, сигналы, соответствующие РЛИ, для несущей частоты зондирующего сигнала и частот второй и третьей гармоник ЗС в данном случае будет представлены матрицами А, В и С соответственно, каждая из которых включает М=6 строк и N=12 столбцов:

Сигналу, соответствующему результирующему РЛИ, будет соответствовать матрица I=А+В+С, элементы i_mn которой будут определяться выражением i_mn=a_mn+b_mn+c_mn, где ; ; a_mn, b_mn и c_mn - элементы матриц А, В и С соответственно. Далее результирующее РЛИ отображается системой индикации. Таким образом, элементарному сигналу в каждой точке результирующего РЛИ ставится в соответствие сумма элементарных сигналов от соответствующих точек радиолокационных изображений, полученных на несущей частоте ЗС и частотах второй и третьей гармоник ЗС.

Способ формирования радиолокационного изображения объектов может быть реализован с помощью устройства, структурная схема которого приведена на фиг.2.

Схема состоит из широкополосной приемной антенны 1, блока управления 2, состоящего из двух устройств управления, блока приемных трактов 3, состоящего из трех приемных трактов, блока фазового детектирования 4, состоящего из трех фазовых детекторов, блока вычислителей опорных функций 5, состоящего из трех вычислителей опорных функций, блока цифровых систем обработки 6, состоящего из трех цифровых систем обработки, устройства формирования результирующего радиолокационного изображения 7 и системы индикации 8, соединенных как показано на фиг.2.

Широкополосная приемная антенна 1 предназначена для приема траекторных сигналов от объектов зондирования на несущей частоте ЗС, а также на частотах второй и третьей гармоник ЗС и распределения их по трем каналам. Блок управления 2 формирует управляющие сигналы, обеспечивающие начало приема траекторных сигналов на частотах второй и третьей гармоник ЗС позже, чем на несущей частоте ЗС, на временные интервалы и соответственно, а окончание приема траекторных сигналов на частотах второй и третьей гармоник ЗС раньше, чем на несущей частоте ЗС, на временные интервалы

и

соответственно. Блок приемных трактов 3 служит для выделения в первом канале сигнала, принятого на несущей частоте ЗС, во втором и третьем каналах - на частотах второй и третьей гармоник ЗС соответственно, переноса сигналов в каждом из каналов на промежуточную частоту, а также их усиления. Блок фазового детектирования 4 осуществляет в каждом из каналов фазовое детектирование и выделяет квадратурные составляющие поступающих сигналов. Блок вычислителей опорных функций 5 формирует опорные функции для каждого из каналов. Блок цифровых систем обработки 6 реализует выполнение алгоритма синтезирования апертуры антенны [2, с.178-186] в каждом из каналов. Устройство формирования результирующего радиолокационного изображения 7 служит для получения сигнала, соответствующего результирующему РЛИ, с учетом результатов обработки траекторных сигналов в трех каналах на несущей частоте ЗС и частотах второй и третьей гармоник ЗС соответственно. Система индикации 8 предназначена для отображения результирующего радиолокационного изображения.

Схема работает следующим образом. Траекторные сигналы от объектов зондирования для несущей частоты ЗС в виде , где u(t) - амплитуда на несущей частоте ЗС; ω₀ - несущая частота ЗС; λ - длина волны ЗС; V - скорость движения носителя; θ_k - азимут k-го объекта относительно центра зоны обзора; R - расстояние между центром зоны обзора и фазовым центром приемной антенны РЛС; ϕ_k(t) - случайная фаза сигнала, принятого от k-го объекта зондирования на частоте ЗС; для частоты второй гармоники зондирующего сигнала в виде , где u₂(t) - амплитуда на частоте второй гармоники ЗС; ϕ_2k(t) - случайная фаза сигнала, принятого от k-го объекта зондирования на частоте второй гармоники ЗС; для частоты третьей гармоники зондирующего сигнала в виде , где u₃(t) - амплитуда на частоте третьей гармоники ЗС; ϕ_3k(t) - случайная фаза сигнала, принятого от k-го объекта зондирования на частоте третьей гармоники ЗС, поступившие на широкополосную приемную антенну 1, распределяются по трем каналам на несущей частоте ЗС и частотах второй и третьей гармоник ЗС соответственно. Сигнал с первого выхода широкополосной приемной антенны 1 поступает на вход приемного тракта первого канала блока приемных трактов 3, где осуществляется выделение сигнала, принятого на несущей частоте ЗС, его перенос на промежуточную частоту и усиление. Сигналы со второго и третьего выходов широкополосной приемной антенны 1 поступают на первые входы приемных трактов второго и третьего каналов блока приемных трактов 3 соответственно. Управляющие сигналы поступают: с выхода первого устройства управления блока управления 2 - на второй вход приемного тракта второго канала блока приемных трактов 3, с выхода второго устройства управления блока управления 2 - на второй вход приемного тракта третьего канала блока приемных трактов 3, обеспечивая начало приема траекторных сигналов на частотах второй и третьей гармоник ЗС позже, чем на несущей частоте ЗС, на временные интервалы и соответственно, а окончание приема траекторных сигналов на частотах второй и третьей гармоник ЗС раньше, чем на несущей частоте ЗС, на временные интервалы и соответственно. В приемных трактах второго и третьего каналов блока приемных трактов 3 осуществляется выделение сигналов, принятых на частотах второй и третьей гармоник ЗС соответственно, их перенос на промежуточную частоту и усиление. Далее сигналы с выходов приемных трактов первого, второго и третьего каналов блока приемных трактов 3 поступают на входы фазовых детекторов соответствующих каналов блока фазового детектирования 4, где осуществляется их фазовое детектирование и выделение двух квадратурных составляющих - синусной и косинусной: и - на несущей частоте ЗС, и - на частоте второй гармоники ЗС, и - на частоте третьей гармоники ЗС, при этом s(t)=s_с(t)+js_s (t), s₂(t)=s_2c(t)+js_2s(t), s₃(t)=s_3c(t)+js_3s(t). В вычислителях опорных функций блока вычислителей опорных функций 5 для каждого из каналов формируется своя опорная функция, состоящая из двух квадратурных составляющих - синусной и косинусной: и , где W(t) - действительная весовая функция, обеспечивающая требуемый уровень боковых лепестков - для несущей частоты ЗС, и , где W₂(t) - действительная весовая функция, обеспечивающая требуемый уровень боковых лепестков - для частоты второй гармоники ЗС, и , где W₃(t) - действительная весовая функция, обеспечивающая требуемый уровень боковых лепестков - для частоты третьей гармоники ЗС, при этом опорные функции будут иметь вид - для несущей частоты ЗС, - для частоты второй гармоники ЗС, - для частоты третьей гармоники ЗС. Квадратурные составляющие сигналов, полученные в блоке фазового детектирования 4, поступают: синусные - с первых выходов фазовых детекторов первого, второго и третьего каналов блока фазового детектирования 4 на первые входы цифровых систем обработки соответствующих каналов блока цифровых систем обработки 6, косинусные - со вторых выходов фазовых детекторов первого, второго и третьего каналов блока фазового детектирования 4 на третьи входы цифровых систем обработки соответствующих каналов блока цифровых систем обработки 6. Квадратурные составляющие опорных функций, сформированные в блоке вычислителей опорных функций 5, поступают: синусные - с первых выходов вычислителей опорных функций первого, второго и третьего каналов блока вычислителей опорных функций 5 на вторые входы цифровых систем обработки соответствующих каналов блока цифровых систем обработки 6, косинусные - со вторых выходов вычислителей опорных функций первого, второго и третьего каналов блока вычислителей опорных функций 5 на четвертые входы цифровых систем обработки соответствующих каналов блока цифровых систем обработки 6. Цифровые системы обработки первого, второго и третьего каналов блока цифровых систем обработки 6 реализуют выполнение алгоритма синтезирования апертуры антенны [2, с.178-186] на несущей частоте ЗС и частотах второй и третьей гармоник ЗС соответственно. При этом выполняются математические операции синтезирования апертуры: - для несущей частоты ЗС, - для частоты второй гармоники ЗС, - для частоты третьей гармоники ЗС. Сигналы с выходов цифровых систем обработки первого, второго и третьего каналов блока цифровых систем обработки 6 поступают на соответствующие входы устройства формирования результирующего радиолокационного изображения 7, где формируется сигнал, соответствующий результирующему РЛИ. Сигнал с выхода устройства формирования результирующего радиолокационного изображения 7 поступает на вход системы индикации 8, с помощью которой результирующее РЛИ отображается визуально.

Таким образом, предложенный способ формирования радиолокационного изображения объектов позволяет произвести отображение на РЛИ дополнительных элементов, соответствующих элементам объектов, обладающих нелинейными электрическими свойствами.

Оценим эффективность предложенного способа формирования радиолокационного изображения объектов. Известно [3, с.573-575], что одним из основных способов обнаружения объектов на изображении является сопоставление с эталоном. В качестве эталона используется РЛИ, сформированное предлагаемым способом для точечных объектов - устройств имитации радиолокационных целей (уголковых отражателей), размещенных произвольно на одной плоскости, находящейся на расстоянии 3 м от фазового центра широкополосной приемной антенны 1, имитирующих объекты с эффективной площадью рассеяния 0,2 м и 0,28 м соответственно и создающих на индикаторе эталонные отметки с яркостью 200 кд/м² и 280 кд/м² соответственно, а также для имитатора ОЭНС (СВЧ диода), размещенного произвольно в той же плоскости, имитирующего объект с нелинейной эффективной площадью рассеяния 0,18 м⁴/Вт и создающий на индикаторе эталонную отметку с яркостью 120 кд/м². Результирующее РЛИ будет отображаться на индикаторе, который представляет собой матрицу, имеющую такой же размер, как и матрица I, то есть состоящую из 6 строк и 12 столбцов. При этом отображаемым радиолокационным изображением будет совокупность отметок различной яркости, создаваемых элементами матрицы индикатора - пикселями. Задача состоит в том, чтобы оценить степень повышения информативности РЛИ, формируемого при реализации предлагаемого способа, по сравнению с прототипом. При проведении оценки эталон последовательно перемещается по полю радиолокационного изображения и исследуется его сходство с различными участками изображения. Мерой различия между эталоном и РЛИ является нормированная взаимная корреляционная функция РЛИ и эталона:

, где - номер строки матрицы индикатора; - номер столбца матрицы индикатора; F(p,q) - яркость отметки на индикаторе, соответствующей элементу результирующего радиолокационного изображения i_pq матрицы I; E(p,q) - яркость отметки на индикаторе, соответствующая эталонному элементу. Полное совпадение значений F(p,q) и E(p,q) бывает редко из-за искажений РЛИ, обусловленных аппаратурными нестабильностями и воздействием различных шумов. В результате таких искажений снижается яркость отметок на индикаторе при отображении РЛИ. Допустим, что в результате воздействия на РЛС вышеупомянутых негативных факторов в процессе формирования реального радиолокационного изображения тех же объектов, которые использовались при формировании эталонного РЛИ, на экране индикатора создаются отметки: яркостью 195 кд/м² и 277 кд/м - от устройств имитации радиолокационных целей (уголковых отражателей), 116 кд/м² - от имитатора ОЭНС (СВЧ диода). Тогда расчет, проведенный при заданных условиях, показывает, что для РЛИ, сформированного прототипом,

,

в то время как при реализации предлагаемого способа формирования радиолокационного изображения объектов

.

Отсюда следует, что реализация предложенного способа формирования радиолокационного изображения объектов способствует повышению информативности РЛИ (в рассмотренном случае на 12%), формируемого РЛС с СА антенны.

Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений неизвестен способ формирования радиолокационного изображения объектов, заключающийся в том, что формируют сигнал, соответствующий радиолокационному изображению объектов на несущей частоте зондирующего сигнала радиолокационной станции, в котором дополнительно формируют сигналы, соответствующие радиолокационным изображениям объектов на частотах второй и третьей гармоник зондирующего сигнала аналогично формированию сигнала, соответствующего радиолокационному изображению объектов на несущей частоте зондирующего сигнала с учетом начала приема траекторных сигналов на частотах второй и третьей гармоник зондирующего сигнала позже, чем на несущей частоте зондирующего сигнала, на временные интервалы Δt₂=T_s/4 и Δt₃=T_s/3 соответственно, где Т_s - временной интервал синтезирования апертуры антенны на несущей частоте зондирующего сигнала, и окончания приема траекторных сигналов на частотах второй и третьей гармоник зондирующего сигнала раньше, чем на несущей частоте зондирующего сигнала, на временные интервалы Δt₂=T_s/4 и Δt₃=T_s/3 соответственно и получают сигнал, соответствующий результирующему радиолокационному изображению, путем суммирования сигналов, соответствующих радиолокационным изображениям, сформированным на несущей частоте зондирующего сигнала и на частотах второй и третьей гармоник зондирующего сигнала.

Предлагаемое техническое решение имеет изобретательский уровень, поскольку из опубликованных научных данных [2, 4-7] и известных технических решений явным образом не следует, что заявленный способ формирования радиолокационного изображения объектов способствует повышению информативности РЛИ объектов, формируемого РЛС с СА антенны.

Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы типовые радиотехнические узлы и устройства, а также оборудование и материалы СВЧ диапазона широко распространенной технологии.

Источники информации

1. Нелинейный локатор «Люкс». Техническое описание и инструкция по эксплуатации. - М.: Новоком, 2005.

2. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. - М.: Радиотехника, 2005.

3. Прэтт У.К. Цифровая обработка изображений: Пер. с англ. - М.: Мир, 1982. - Кн.2.

4. Под ред. Ширмана Я.Д. Теоретические основы радиолокации. - М.: Сов. Радио, 1970.

5. Горбачев А.А., Колданов А.П., Ларцов С.В., Тараканков С.П., Чигин Е.П. Признаки распознавания нелинейных рассеивателей электромагнитных волн // Нелинейная радиолокация. Сборник статей. Часть 1 / Под ред. Горбачева А.А., Колданова А.П., Потапова А.А., Чигина Е.П. - М.: Радиотехника, 2005. - С.301-309.

6. Семенов Д.В., Ткачев Д.В. Нелинейная радиолокация: концепция NR // Специальная техника / НИИ специальной техники МВД России. - 1999. - №1-2. - С.17-22.

7. Горбачев А.А., Данилов В. И., Чигин Е.П., Васенков А.А. Обнаружение нелинейных рассеивателей при проведении поисковых работ // Радиотехника и электроника. - 1996. - Т.41, №8. - С.864-882.

Способ формирования радиолокационного изображения объектов, заключающийся в том, что формируют сигнал, соответствующий радиолокационному изображению объектов на несущей частоте зондирующего сигнала радиолокационной станции, отличающийся тем, что дополнительно формируют сигналы, соответствующие радиолокационным изображениям объектов на частотах второй и третьей гармоник зондирующего сигнала аналогично формированию сигнала, соответствующего радиолокационному изображению объектов на несущей частоте зондирующего сигнала с учетом начала приема траекторных сигналов на частотах второй и третьей гармоник зондирующего сигнала позже, чем на несущей частоте зондирующего сигнала, на временные интервалы и соответственно, где T_S - временной интервал синтезирования апертуры антенны на несущей частоте зондирующего сигнала, и окончания приема траекторных сигналов на частотах второй и третьей гармоник зондирующего сигнала раньше, чем на несущей частоте зондирующего сигнала, на временные интервалы и соответственно и получают сигнал, соответствующий результирующему радиолокационному изображению, путем суммирования сигналов, соответствующих радиолокационным изображениям, сформированным на несущей частоте зондирующего сигнала и на частотах второй и третьей гармоник зондирующего сигнала.