Способ определения скорости объекта в доплеровской радиолокации
METHOD OF DETERMINING OBJECT SPEED IN DOPPLER RADAR

Изобретение относится к дистанционному контролю движения объектов доплеровской радиолокационной станцией (ДРЛС) и предназначено для существенного увеличения точности определения скоростей объектов до погрешности, определяемой соотношением сигнал-шум.
Актуальной является задача дистанционного контроля движения объектов в авиации, при запуске и посадке космических аппаратов (КА) на Землю, для контроля движения КА в процессе их стыковки на орбите и т.д. Для этих целей удобно использовать ДРЛС вследствие простоты ее конструкции и возможностью исключения влияния неподвижных сопутствующих и помехообразующих факторов селекцией по частоте.
Известен способ измерения радиальной скорости объекта RU 2535487, в котором достигается уменьшение погрешности измерения радиальной скорости объекта, при частоте Доплера меньше единиц кГц. Результат достигается за счет облучения движущегося объекта модулированным по амплитуде сигналом высокой частоты одним прямоугольным импульсом и одновременном приеме сигнала, отраженного от объекта в обратном направлении. Этот результат достигается за счет измерения, в единицу времени или длительности модулирующего по амплитуде прямоугольного импульса, набега фазы сигнала отраженного от объекта в обратном направлении. Повышение точности измерений в данном случае достигается за счет увеличения временной длительности анализируемой записи. Это приводит к увеличению точности измерений скорости с помощью блока быстрого преобразования Фурье (БПФ), но применимо только для объектов с медленно меняющейся скоростью. При измерении скоростей быстро движущихся, маневрирующих объектов увеличение длительности анализируемой записи приводит к увеличению ошибки измерений.
В заявке на изобретение RU94007486 предложен радиолокационный измеритель скорости, который позволяет достичь высокой точности измерений при обеспечении высокой помехоустойчивости и скрытности в работе применением шумового зондирующего сигнала и корреляционной обработки отраженного сигнала. Способ измерения, описанный в RU94007486, также требует для повышения точности измерений скорости, увеличения длительности анализируемой записи. В этом случае при корреляционной обработке отраженного сигнала можно реализовать узкий корреляционный максимум шумового зондирующего сигнала. Данный способ также применим только для объектов с медленно меняющейся скоростью.
В качестве прототипа выбран радиолокационный способ измерения скорости движущегося объекта, описанный в патенте на полезную модель RU 42112, где с помощью модуля СВЧ осуществляют излучение СВЧ-сигнала и прием отраженного от объекта сигнала, получают на выходе модуля СВЧ-сигнал на частоте Доплера, зависящий от скорости движения объекта, который с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) преобразуют в цифровую форму и подают на вход блока вычисления быстрого преобразования Фурье (БПФ), на выходе которого выделяют сигнал частотного канала с максимальной амплитудой.
Таким образом, в конструкции доплеровской радиолокационной станции (ДРЛС) по патенту на изобретение RU 42112 выделение физических параметров движущихся объектов, а именно скоростей и спектральных амплитуд, производят с помощью блока БПФ.
Ошибка определения скорости при стандартном способе спектральной обработки доплеровских сигналов, основанном на быстром преобразовании Фурье, присуща всем современным ДРЛС, не зависит от соотношения сигнал-шум и не может быть уменьшена путем совершенствования конструкции передатчика и приемника ДРЛС. В стандартном блоке спектральной обработки доплеровских сигналов, основанном на быстром преобразовании Фурье, длительность анализируемой записи определяет спектральное разрешение. Если в процессе обработки была установлена длительность записи 1024 отсчетов АЦП, то при частоте отсчетов 1 МГц временной интервал обработки будет равен Т=1024 мксек. Спектральные амплитуды отсчитываются дискретно через интервалы по скорости
-2
≈
Для длины волны ДРЛС λ=3⋅10 м и выбранной длине обрабатываемой записи ΔV=14.6 м/с. Например, если в какой-то момент времени скорость была V=1000 м/с, то соответствующее число отсчетов должно быть . Поскольку отсчеты ведутся только по спектральным амплитудам, соответствующим целому числу интервалов ΔV, то спектральная амплитуда, соответствующая скорости V=1000 м/с, находящаяся между n=68 и n+1=69, не получается на долях интервала ΔV, и будет определена приближенно V=n⋅ΔV=68-14.6 м/с=992.8 м/с.Величина интервала ΔV в этом случае является ошибкой в измерении скорости, а истинная скорость объекта будет находиться между 992.8 м/с и 1007.4 м/с. При другой длительности анализируемой записи могло бы быть, что скорость объекта ближе к (n+1)ΔV, и тогда ошибку ΔV нужно было бы вычитать из получившейся величины. Эта ошибка довольно большая по величине 14.6 м/с и не систематическая: ее знак будет меняться на последующих интервалах. Ошибка в стандартном блоке спектральной обработки доплеровских сигналов не зависит от соотношения сигнал-шум и не может быть уменьшена путем совершенствования конструкции передатчика и приемника ДРЛС, что является существенным недостатком стандартного способа.
Пример спектральной обработки результатов радиолокационных доплеровских измерений с помощью стандартного блока спектрального анализа, при движении объекта по аэробаллистической траектории, приведены на графиках фиг. 1. Как видно из графика 1 на фиг. 1 (правая шкала) график скорости объекта при замедленном движении в этом случае имеет ступенчатый вид с величиной ступеньки ΔV.
Квадрат спектральной амплитуды пропорционален эффективной площади рассеяния (ЭПР) излучения РЛС исследуемым объектом. Из графика 2 на фиг. 1 (левая шкала) видно, что возникают значительные ошибки и в определении ЭПР исследуемых объектов, движущихся по аэробаллистической траектории, и происходит ухудшение отношения сигнала к шуму - важнейшего радиолокационного параметра. Кроме того, следствием внесенных стандартным блоком спектрального анализа разрывностей гармонической функции является уширение спектральных линий и появление, вместо резких краев, медленно спадающих крыльев спектральных линий, которые создают помеху для обнаружения и выделения близких деталей спектральных распределений.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получения технического результата, заключающегося в определении скорости высокоскоростных объектов в доплеровской радиолокации с высокой точностью, не требующий увеличения длительности анализируемой записи доплеровского сигнала.
Предлагаемый способ измерения скорости ДРЛС с высокой точностью не требует увеличения длительности анализируемой записи. В гармоническом анализе спектральные компоненты функций должны быть определены непрерывно на бесконечном интервале. Это означает, что при вычислениях с анализируемой записью длительностью Т гармоническая функция в каждый последующий момент времени должна аналитически продолжаться с сохранением непрерывности фазы. В стандартных блоках спектрального анализа условие непрерывности не выполняется, поэтому в результате спектральной обработки вносятся значительные искажения распределений спектральных амплитуд.
Поставленная задача достигается тем, что в способе определения скорости объекта в доплеровской радиолокации, основанном на излучении СВЧ-сигнала и приеме отраженного от объекта сигнала, отличающегося на частоту Доплера, зависящую от скорости движения объекта, в качестве сигнала используют непрерывный, преимущественно монохроматический сигнал, с помощью гетеродина, где опорной частотой является частота передатчика, находят разностные частоты, из которых, применяя фильтр верхних частот, отсекают частоты сигналов, отраженных от неподвижных объектов, далее обработку сигнала адаптируют так, чтобы длительность анализируемой записи принимаемого сигнала содержало целое число периодов доплеровской частоты, для чего полученный сигнал на разностной частоте оцифровывают с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), затем запись этого сигнала с произвольной начальной длиной подвергают преобразованию Фурье с получением доплеровского спектра, определяют величину максимума спектральной амплитуды сигнала, принятого ДРЛС от двигающегося объекта, в делениях АЦП и частоту этого максимума в доплеровском спектре, далее изменяют длину анализируемой записи на шаг дискретизации АЦП - Δt и опять подвергают преобразованию Фурье с определением величины максимума спектральной амплитуды сигнала в делениях АЦП и частоты, соответствующей этому максимуму в полученном доплеровском спектре, повторяют изменение длин анализируемой записи на kΔt, где k=1, 2, …, N, и где N выбрана таким образом, чтобы kΔt варьировалась в пределах не менее двух доплеровских периодов в сторону увеличения или уменьшения относительно начальной длины анализируемой записи, проводя при каждой измененной на шаг дискретизации анализируемой записи оцифрованного сигнала, принятого ДРЛС от двигающегося объекта, преобразование Фурье с определением величины максимума спектральной амплитуды и частоты, соответствующей этому максимуму в доплеровском спектре. По найденным результатам строят зависимость максимумов спектральных амплитуд в доплеровских спектрах, полученных при изменении длины анализируемой записи на kΔt от начальной, и по максимальной величине спектральной амплитуды из этого графика определяют величину оптимальной длины анализируемой записи, по которой и определяют частоту максимума доплеровского спектра.
Критерий определения адаптированной длительности анализируемой записи по максимальной величине спектральной амплитуды хорошо работает, когда доплеровский радиолокационный сигнал стационарен. Если это условие не выполняется, то возникают неопределенности в определении положения максимума или выбора из нескольких максимумов. Чтобы исключить влияние вариаций амплитуды используется вариант определения оптимальной длины анализируемой записи по частоте доплеровского максимума. В этом случае строят график зависимости доплеровских частот, соответствующих максимумам спектральных амплитуд доплеровских спектров, полученных при изменениях длин анализируемых записей на kΔt, где k=1, 2, …, N, и N взята из условия, чтобы kΔt варьировалась в пределах не менее двух доплеровских периодов в сторону увеличения или уменьшения относительно начальной длины анализируемой записи, от изменения kΔt. Находят оптимальную длину анализируемой записи, по средней величине доплеровской частоты между соседними скачками частот максимума доплеровского спектра.
По длине анализируемой записи определяют доплеровскую частоту движущегося объекта, а из формулы  определяют скорость движения объекта, где λ - длина волны, излучаемая СВЧ-модулем передатчика ДРЛС.
Предлагаемый способ можно проиллюстрировать с помощью структурной схемы ДРЛС с использованием блока вычисления преобразования Фурье способом адаптивного спектрального анализа, которая показана на фиг. 2. В схему устройства входят: 3. Модуль СВЧ-передатчика, излучающий синусоидальный сигнал высокой частоты с длиной волны λ в направлении движущегося объекта; 4. Модуль СВЧ-приемника, принимающий и усиливающий высокочастотный сигнал, отраженный от окружающих объектов в направлении приемника; 5. Гетеродин, формирующий сигнал на частоте равной разности частот приемника и передатчика; 6. Фильтр верхних частот, не пропускающий сигналы на частотах близких к нулевой; 7. Аналого-цифровой преобразователь, производящий квантование сигнала разностной частоты по времени и амплитуде; 8. Модуль первого запоминающего устройства-1, производящего регистрацию отсчетов времени и амплитуды оцифрованного сигнала через интервал времени Δt; 9. Moдуль выборки данных, производящий выборку отсчетов данных разной длины от начальной до конечной, с шагом равным единице, соответствующих различным длинам анализируемой записи; 10. Блок вычисления преобразования Фурье, вычисляющий спектр анализируемой записи; 11. Модуль определения частоты и величины максимума в доплеровском спектре; 12. Модуль второго запоминающего устройства, производящего регистрацию частоты и величины максимума в доплеровском спектре при различных длинах анализируемой записи; 13. Модуль построения зависимости величины максимума в доплеровском спектре от длины анализируемой записи; 14. Модуль построения зависимости частоты максимума в доплеровском спектре от длины анализируемой записи; 15. Модуль определения оптимальной длины записи по соседним скачкам частоты максимума доплеровского спектра; 16. Модуль определения оптимальной длины записи по экстремумам величины максимума доплеровского спектра; 17. Модуль определения частоты максимума доплеровского спектра при оптимальной длине записи и скорости движущегося объекта с повышенной точностью; 18. Модуль определения частоты максимума доплеровского спектра при оптимальной длине записи и скорости движущегося объекта с повышенной точностью; 19. Блок управления; 20. Канал для сигнала изменения длины анализируемой записи; 21. Канал для частоты доплеровского максимума при начальной длине анализируемой записи; 22. Канал для длины анализируемой записи.
Амплитудный вариант способа
13. Модуль построения зависимости величины максимума в доплеровском спектре от длины анализируемой записи, пример зависимости величины максимума в доплеровском спектре - А (в единицах делений АЦП) от приращения длины записи - kΔt (в микросекундах) показан на фиг. 3, при начальной длине записи Т=1000 мксек; 16. Модуль определения оптимальной длины записи по экстремумам величины максимума доплеровского спектра, на фиг. 3 экстремум соответствуют kΔt=10 мксек и оптимальная длина записи Т=1010 мксек; 18. Модуль определения частоты максимума доплеровского спектра при оптимальной длине записи и скорости движущегося объекта с повышенной точностью;
Частотный вариант способа
доп
14. Модуль построения зависимости частоты максимума в доплеровском спектре от длины анализируемой записи, пример зависимости частоты максимума в доплеровском спектре - F (в Гц) в зависимости от приращения длины записи - kΔt (в микросекундах) показан на фиг. 4, при начальной длине записи Т=1000; 15. Модуль определения оптимальной длины записи по соседним скачкам частоты максимума доплеровского спектра, на фиг. 4 скачки соответствуют kΔt=4 и 16 мксек и оптимальная длина записи Т=1010 мксек (середина линейного участка изменения частоты); 17. Модуль определения частоты максимума доплеровского спектра при оптимальной длине записи и скорости движущегося объекта с повышенной точностью.
пер
доп
пер
доп
пер
С помощью модуля СВЧ-передатчика 3 посылают непрерывный СВЧ-сигнал в сторону движущегося объекта. Принимают отраженный от объекта сигнал с помощью модуля СВЧ-приемника 4 с суммой частот F+F, где F - частота передатчика, F - частота Доплера. С помощью гетеродина 5 находят разностную частоту, где опорной частотой является частота передатчика F. Так как принимаемое реальное излучение включает и сигналы, отраженные окружающими предметами, то применяют фильтр верхних частот 6 на выходе гетеродина 5 для отфильтровывания сигналов, отраженных от неподвижных объектов. Далее с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 7 сигнал преобразуют в цифровую форму и записывают в память первого модуля запоминающего устройства 8, в котором осуществляют регистрацию времени и амплитуды оцифрованного сигнала через интервал времени Δt. Запись с модуля запоминающего устройства 8 поступает в модуль выборки данных 9, с помощью которого осуществляют выборку записи с длиной, определяемой сигналом изменения длины анализируемой записи с блока управления 19, поступающей на блок вычисления преобразования Фурье 10, откуда данные о частоте доплеровского максимума при начальной длине анализируемой записи по каналу 21 поступают на блок управления 19 и данные для определения частоты и величины максимума в доплеровском спектре на модуль 11, величины которых регистрируют в модуле второго запоминающего устройства 12, предназначенного для регистрации частоты и величины максимума доплеровского спектра при различных длинах анализируемой записи, в который данные о длине анализируемой записи поступают от блока управления 19 по каналу 22, и с помощью модуля 13 строят график зависимости величины максимума спектральной амплитуды в доплеровском спектре от длины анализируемой записи (фиг. 3), на котором с помощью модуля 16 определяют оптимальную длину записи по экстремумам величины максимума спектральной амплитуды доплеровского спектра, и в модуле 18 определяют частоту максимума доплеровского спектра при оптимальной длине записи и скорость движущегося объекта с повышенной точностью. В частотном варианте метода с помощью модуля 14 строят график зависимости частоты максимума спектральной амплитуды в доплеровском спектре от длины анализируемой записи (фиг. 4), на котором с помощью модуля 15 определяют оптимальную длину записи по середине линейного участка изменения частоты максимума доплеровского спектра, и в модуле 17 определяют частоту максимума спектральной амплитуды доплеровского спектра при оптимальной длине записи и скорость движущегося объекта с повышенной точностью.
доп
В основе способа адаптивного спектрального анализа лежит принцип сохранения фазовой непрерывности сигналов. Из соотношений для эффекта Доплера  и  следует, что  и  где Т - период доплеровской частоты сигнала . Отсюда: , где в общем случае n - смешанное число. Сохранить непрерывность сигнала по фазе при спектральной обработке возможно, если длительность анализируемой записи Т будет содержать целое число n периодов доплеровской частоты . Поэтому в процессе спектральной обработки длительность анализируемой записи должна адаптироваться так, чтобы в каждый момент времени в окне укладывалось целое число периодов доплеровской частоты. За начальное приближение можно взять длительность анализируемой записи, например 1000 мксек и далее ее продолжительность варьировать в пределах двух доплеровских периодов в сторону увеличения или уменьшения.
Определение оптимальной длительности анализируемой записи по максимуму спектральных амплитуд. На фиг. 3 приведен график величины спектральной амплитуды сигнала А принятого ДРЛС от двигающегося объекта в делениях АЦП, построенный относительно изменения длины анализируемой записи с начальным значением Т=1000 мксек, следующих через 1 мксек в течение двух доплеровских периодов. Положения максимумов спектральных амплитуд соответствуют оптимальной длительности анализируемой записи.
Критерий определения адаптированной длительности анализируемой записи по максимальной величине спектральной амплитуды хорошо работает, когда доплеровский радиолокационный сигнал стационарен. Если это условие не выполняется, то возникают неопределенности в определении положения максимума или выбора из нескольких максимумов. Поэтому ниже приведен частотный критерий, свободный от этого недостатка.
Определение оптимальной длительности анализируемой записи по интервалу изменений доплеровской частоты. Как видно из графика фиг. 3, изменение величины спектральной амплитуды сигнала принятого ДРЛС от двигающегося объекта на каждый момент времени периодически зависит от длительности анализируемой записи Т, и период этой зависимости равен периоду доплеровской частоты . На графике фиг. 4 приведена зависимость измеряемой доплеровской частоты двигающегося объекта от длительности анализируемой записи, построенная через 1 мксек в течение двух доплеровских периодов. Из графика видно, что величина доплеровского периода равна 15 мксек. Чтобы адаптированная длина анализируемой записи соответствовала целому числу периодов доплеровской частоты, нужно чтобы спектральная амплитуда двигающегося объекта имела доплеровскую частоту точно в середине интервала линейного изменения доплеровской частоты. На графике эта середина попадает на отсчет kΔt на 10 микросекунде. Погрешность измерений доплеровских частот в данном примере определялась частотой выборки через 1 мксек, обеспечиваемую АЦП, которая определяет и погрешность определения скорости двигающегося объекта. В рассматриваемом случае она составляет 1.15 м/сек.
Введение в ДРЛС блока вычисления преобразования Фурье способом адаптивного спектрального анализа с переменной длиной анализируемой записи, делает невозможным использование алгоритма быстрого преобразования Фурье (БПФ), имеющего фиксированную длину анализируемой записи. Это требует использования более высокопроизводительных вычислительных систем с вычислением преобразования Фурье по общим формулам
На графике фиг. 5 представлены распределения скоростей (график 23) и спектральных амплитуд (график 24) объекта, двигающегося по аэробаллистической траектории, полученных ДРЛС с применением оптимизации длины анализируемой записи. Сравнение графика 23 с графиком 1 и графика 24 с графиком 2 показывает, что применение способа оптимизации длины анализируемой записи устраняет искажения, вносимые стандартным БПФ способом и уменьшает погрешность определения измеряемых величин, в частности в данном опыте скорости до ±1 м/с.