СИСТЕМА СЕЛЕКЦИИ ДВИЖУЩИХСЯ ЦЕЛЕЙ С ИЗМЕРЕНИЕМ ДАЛЬНОСТИ, РАДИАЛЬНОЙ СКОРОСТИ И НАПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ В КАЖДОМ ПЕРИОДЕ ЗОНДИРОВАНИЯ
SYSTEM FOR SELECTION OF MOVING TARGETS WITH MEASUREMENT OF RANGE, RADIAL VELOCITY AND DIRECTION OF MOVEMENT IN EACH PERIOD OF SOUNDING

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокационных системах (РЛС) для селекции движущихся целей (СДЦ) с измерением их дальности, а также модуля и знака радиальной скорости.
Известны близкие по назначению способы и устройства СДЦ, предназначенные для подавления отражений от неподвижных и медленно движущихся объектов в системах активной радиолокации.
В патенте США US 3225349 А от 21.12.1965 [1] описана РЛС селекции движущихся целей (СДЦ), в которой формируется группа из двух зондирующих импульсов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), имеющих противоположные знаки девиации частоты. Эта группа излучается в направлении на цель. Отраженный сигнал принимается, усиливается, разделяется на два канала и подается на согласованные фильтры (СФ). Каждый из фильтров согласован с одним из двух излучаемых импульсов. Согласованный с фильтром импульс формирует сжатый отклик СФ, в то время как несогласованный импульс получает дополнительную фазовую дисперсию, и его энергия распределяется на интервале, равном удвоенной исходной длительности. После этого сигнал одного канала проходит линию задержки для выравнивания временного положения импульсов в группе. В случае, если группа импульсов отразилась от движущейся цели, вершины сжатых импульсов сдвигаются по времени в разные стороны от момента, определяемого дальностью до цели, причем этот сдвиг является функцией доплеровской частоты, с учетом знака девиации частоты зондирующего сигнала. Если группа импульсов отразилась от неподвижной цели, вершины сжатых импульсов не смещаются относительно друг друга и момента времени, определяемого дальностью до цели. Далее сигналы подаются на вычитающее устройство. Если цель подвижна, то на выходе устройства будет присутствовать разностный сигнал, представляющий собой сдвинутые во времени относительно друг друга сжатые отклики СФ разной полярности, которые в дальнейшем могут использоваться для определения скорости и дальности цели. В случае неподвижной цели, сигнал на выходе вычитающего устройства равен нулю.
Описанная РЛС с СДЦ обладает рядом существенных недостатков.
Увеличенное время излучения, определяемое длительностью излучаемой пачки, равной двум длительностям ЛЧМ сигналов и интервалу между ними, ограничивает минимальную дальность, на которой могут обнаруживаться движущиеся цели.
В патенте указано, что с помощью дополнительной обработки возможно определение дальности, скорости и направления движения цели, однако это не подтверждено описанием соответствующего алгоритма и структурой устройства. Таким образом, в патенте не приведено решение, позволяющее устройству одновременно измерять дальность, скорость и направление движения цели.
Известно техническое решение, описанное в патенте США US 5870054 А от 09.02.1999 [2], в котором рассмотрена РЛС с СДЦ с компенсацией эффекта «слепых скоростей», базовый принцип работы которой не отличается от рассмотренного выше. В системе, описанной в патенте US 5870054 А, используется ЛЧМ сигнал с череспериодным изменением знака девиации частоты. Это позволяет уменьшить «мертвую зону» РЛС. Интервал между огибающими сжатых импульсов на выходе вычитающего устройства прямо пропорционален скорости цели, а истинное расстояние до цели соответствует среднему значению запаздываний двух импульсов.
Однако описанное в патенте US 5870054 А устройство имеет те же недостатки, заключающиеся в отсутствии описания технического решения, позволяющего измерять дальность и скорость движущейся цели, а также определять ее направление движения, что чрезвычайно важно в реальной оперативной обстановке.
Еще одно техническое решение описано в статьях [3, 4]. Принцип действия системы СДЦ аналогичен приведенному в патенте US 5870054 А, описана реализация системы СДЦ, использующая цифровую обработку сигналов. В указанных статьях приводятся теоретические сведения о запаздываниях, которые приобретают сжатые импульсы с разными знаками девиации частоты на выходе СФ при отражении от подвижной цели. Тем не менее, описание технического решения, которое бы позволяло определить знак радиальной скорости, отсутствует.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является техническое решение, описанное в патенте RU 2626380 С1 [5]. Выберем его в качестве прототипа.
Структурная схема системы СДЦ, предложенной в патенте RU 2626380 С1, приведена на фиг. 1. Система предназначена для выделения сигналов движущихся целей на фоне отражений от неподвижных и медленно движущихся объектов, а также пассивных помех.
Для работы системы требуется попеременное излучение зондирующих ЛЧМ-импульсов с разными знаками девиации частоты. В нечетные периоды излучаются импульсы с нарастающей мгновенной частотой заполнения (положительная девиация частоты), в четные периоды -импульсы с убывающей мгновенной частотой заполнения (отрицательная девиация частоты).
Принятые отраженные сигналы переносятся на промежуточную частоту и подвергаются оцифровке (дискретизации по времени и квантованию по уровню). После этого производится выделение квадратурных составляющих (перенос сигнала на нулевую несущую частоту). Указанные преобразования выполняются блоком цифрового формирователя квадратурных составляющих (ЦФКС) 1.
Отсчеты квадратурных составляющих (комплексной огибающей) поступают на двухстраничное оперативное запоминающее устройство 1 (ОЗУ1) 2, где выполняется накопление отсчетов для выполнения согласованной фильтрации в спектральной области (с использованием алгоритма быстрой свертки). Блок ОЗУ1 вносит задержку на один период зондирования.
Квадратурные составляющие (комплексная огибающая радиосигнала) обрабатываются в согласованном фильтре (СФ) 3. Отсчеты комплексной частотной характеристики (КЧХ) СФ извлекаются из постоянного запоминающего устройства (ПЗУ) 4, причем в четные периоды извлекается КЧХ, согласованная с комплексной огибающей сигнала с положительной девиацию частоты, в нечетные периоды - согласованная с комплексной огибающей сигнала с отрицательной девиацией частоты.
Сигнал с выхода СФ поступает на вход вычислителя модуля (ВМ) 5 и далее на инвертирующий вход вычитателя 1 (В1) 6 и на вход двухстраничного оперативного запоминающего устройства 2 (ОЗУ2) 7, которое играет роль линии задержки на один период зондирования. Сигнал с выхода ОЗУ2, задержанный на один период зондирования, подается на неинвертирующий вход В1.
R
R
При отражении сигнала от подвижной цели на выходе В1 формируется сигнал в виде пары импульсов противоположного знака. По интервалу времени между максимумом и минимумом разностного сигнала в течение нечетных периодов зондирования выполняется оценка уточненной дальности цели D, ее радиальной скорости V и направления движения.
R
R
R
С помощью вычислителей временного положения (ВВП) максимума 8 и минимума 9, сумматора (С) 10 и вычитателя 2 (В2) 11, а также вычислителей дальности (ВД) 12, радиальной скорости (ВРС) 13 и направления движения (ВНД) 14 определяются D, V и sgn(V).
R
Функционирование системы (при обработке ЛЧМ сигналов, отраженных от удаляющейся цели, V>0) поясняют временные диаграммы, приведенные на фиг. 2. Техническое решение, выбранное в качестве прототипа, обеспечивает определение дальности, скорости и направления движения объекта только в течение нечетных периодов излучения, то есть частота обновления информации о цели вдвое ниже частоты следования зондирующих импульсов. Указанное ограничение следует считать существенным недостатком, поскольку в современных РЛС решающее значение имеет оперативность принятия решения об обнаружении цели и получения оценок ее дальности, скорости и направлении движения.
Предлагаемое изобретение направлено на преодоление указанного недостатка прототипа и обеспечивает одновременное измерение дальности, скорости и направления движения цели в каждом периоде зондирования.
Указанный технический результат достигается тем, что в известную систему СДЦ, содержащую последовательно соединенные ЦФКС, ОЗУ1, СФ с подключенным ПЗУ, управляющий вход которого подключен к управляющему входу системы СДЦ, ВМ, выход которого подключен ко входу ОЗУ2, а также В1, выход которого соединен со входами ВВП максимума и ВВП минимума, сумматор, входы которого подключены к выходам ВВП максимума и ВВП минимума, В2, неинвертирующий вход которого подключен к выходу ВВП максимума, а инвертирующий вход - к выходу ВВП минимума, подключенный к выходу сумматора ВД, с выхода которого получают оценку дальности до цели, подключенный к выходу В2 ВРС, с выхода которого получают значение модуля радиальной скорости цели, а также подключенный к выходу В2 ВНД, с выхода которого получают знак радиальной скорости цели, введены коммутатор сигналов 1 (КС1), первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам ВМ и ОЗУ2, управляющий вход соединен с управляющим входом ПЗУ, а выход подключен к неинвертирующему входу В1, и коммутатор сигналов 2 (КС2), первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам ВМ и ОЗУ2, управляющий вход соединен с управляющим входом ПЗУ, а выход подключен к инвертирующему входу В1.
Благодаря введению в известную систему СДЦ совокупности существенных отличительных признаков, предлагаемая система СДЦ обеспечивает технический результат изобретения - возможность осуществлять СДЦ с одновременным определением дальности, скорости и направления движения объектов в два раза чаще прототипа - в каждом периоде зондирования.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется структурной схемой, приведенной на фиг. 3, где обозначено:
1 - цифровой формирователь квадратурных составляющих (ЦФКС);
2 - оперативное запоминающее устройство 1 (ОЗУ 1);
3 - согласованный фильтр (СФ);
4 - постоянное запоминающее устройство (ПЗУ);
5 - вычислитель модуля (ВМ);
6 - оперативное запоминающее устройство 2 (ОЗУ2);
7 - коммутатор сигналов 1 (КС1);
8 - коммутатор сигналов 2 (КС2);
9 - вычитатель 1 (В1);
10 - вычислитель временного положения (ВВП) максимума;
11 - ВВП минимума;
12 - сумматор (С);
13 - вычитатель 2 (В2);
14 - вычислитель дальности (ВД);
15 - вычислитель радиальной скорости (ВРС);
16 - вычислитель направления движения (ВНД).
Система СДЦ с измерением дальности, радиальной скорости и направления движения объекта в каждом периоде зондирования работает следующим образом.
ВХ
ВХ
Отраженный сигнал переносится на промежуточную частоту и подается на вход системы. Входной аналоговый сигнал х(t), представляющий собой периодическую последовательность ЛЧМ радиоимпульсов с череспериодным изменением знака девиации частоты, поступает на вход ЦФКС 1, устройство и принцип работы которого подробно описаны в [6, 7]. В ЦФКС сигнал х(t) преобразуется в цифровые отсчеты  комплексной огибающей (КО) входного сигнала с периодом дискретизации Т.
В нечетные периоды зондирования (начиная с первого) в первую страницу ОЗУ1 2 записываются отсчеты КО сигнала с положительной девиацией частоты, а в четные периоды зондирования (начиная со второго) во вторую страницу ОЗУ1 2 записываются отсчеты КО сигнала с отрицательной девиацией частоты.
В нечетные периоды зондирования (начиная с третьего) из второй страницы ОЗУ1 2 на вход СФ 3 поступают отсчеты КО сигнала с отрицательной девиацией частоты, в четные периоды зондирования (начиная со второго) из первой страницы ОЗУ1 2 на вход СФ 3 поступают отсчеты КО сигнала с положительной девиацией.
1
2
Из ПЗУ 4 в СФ 3 в нечетные периоды зондирования подаются отсчеты передаточной функции Н(k) для согласованной обработки ЛЧМ сигналов с отрицательным знаком девиации частоты, а в четные периоды зондирования - отсчеты передаточной функции Н(k) для согласованной обработки ЛЧМ сигналов с положительной девиацией частоты.
упр
ПЗУ 4 управляется сигналом U(t) (управляющее напряжение), которое в нечетные периоды зондирования имеет высокий уровень (логическая единица), а в четные периоды зондирования - низкий уровень (логический ноль).
ВМ
Отсчеты  КО сжатого сигнала с выхода СФ 3 подаются на вход ВМ 5, на выходе которого формируются отсчеты амплитудной огибающей КО сжатого сигнала x(nТ) в соответствии с выражением
R
Как показано в [8, 9], если цель относительно антенны движется с радиальной скоростью v, то максимум амплитудной огибающей сжатого сигнала имеет запаздывание
где  - запаздывание, определяемое расстоянием до цели;
DR - дальность до цели;
с - скорость распространения сигнала;
- запаздывание, определяемое радиальной скоростью; (3)
и
τ - длительность импульса;
Δf - девиация частоты ЛЧМ сигнала;
- длина волны излучаемого сигнала;
0
f - несущая частота излучаемого сигнала;
- радиальная скорость цели (скорость положительная, если цель удаляется).
R
V
D
Таким образом, знак v и знак Δf определяют знак смещения Δt максимума амплитудной огибающей сжатого сигнала относительно момента Δt.
Отсчеты амплитудной огибающей сигнала с выхода ВМ 5 поступают на вход ОЗУ2 6, на первый вход КС1 7 и на первый вход КС2 8.
упр
ВМ
ОЗУ2
упр
ОЗУ2
ВМ
Блок КС1 7 представляет собой ключ, управляемый сигналом U(t). В четные периоды зондирования КС1 7 передает на неинвертирующий вход В1 9 сигнал х(nТ), в нечетные периоды - сигнал x(nT). Блок КС2 8 аналогичен КС1 7 и также управляется сигналом U(t). В четные периоды зондирования КС2 8 передает на инвертирующий вход В1 9 сигнал x(nT), в нечетные периоды - сигнал х(nТ).
В1
Таким образом, (с учетом задержки, вносимой ОЗУ1 2 и ОЗУ2 6) в каждом периоде зондирования на выходе В1 9 формируется разность огибающей сжатого сигнала с положительной девиацией и огибающей сжатого сигнала с отрицательной девиацией. Полученная разность огибающих х(nТ) подается на входы ВВП максимума 10 и ВВП минимума 11 разностного сигнала.
макс
С выхода ВВП максимума 10 величина n, равная запаздыванию максимума разностного сигнала относительно момента излучения, выраженному в периодах дискретизации, подается на первый вход С 12 и на неинвертирующий вход В2 13.
мин
С выхода ВВП минимума 11 величина n, равная выраженному в периодах дискретизации запаздыванию минимума разностного сигнала относительно момента излучения, подается на второй вход С 12 и на инвертирующий вход В2 13.
макс
мин
R
С выхода С 12 величина n + n подается на вход ВД 14, в котором производится ее умножение на константу , значение которой хранится в памяти ВД 14. Таким образом на выходе ВД 14 получается уточненная оценка дальности D до цели, которая не содержит погрешностей, обусловленных движением цели:
D
Так как девиации частот ЛЧМ импульсов в нечетных и четных периодах зондирования равны по модулю и противоположны по знаку, то выражение (4) соответствует запаздыванию Δt, равному среднему значению запаздываний максимального и минимального отсчетов разностного сигнала. Этим объясняется отсутствие ошибки (3), определяемой скоростью цели, в оценке (4).
макс
мин
Величина n - n с выхода В2 13 подается на входы ВРС 15 и ВНД 16.
В ВРС 15 цели находится абсолютная величина радиальной скорости цели в соответствии с выражением:
Постоянный коэффициент , значение которого рассчитывается предварительно, хранится в памяти ВРС 15.
и
v
R
Знак радиальной скорости определяется на основе выражения (3). Значения τ и λ неотрицательны, поэтому знак Δt определяется знаками радиальной скорости v и девиации частоты Δf.
R
D
D
R
ВЫЧ1
макс
мин
R
ВЫЧ1
макс
мин
Если v>0 (цель удаляется), и сигнал имеет положительную девиацию частоты (Δf>0), то максимум сжатого импульса будет запаздывать относительно задержки Δt, которая соответствует неподвижной цели. Максимум сжатого импульса с отрицательной девиацией частоты (Δf<0) напротив, будет наблюдаться ранее момента Δt. Таким образом, при v>0 максимум разностного сигнала x(nТ) будет запаздывать относительно минимума (nT > nT). При v<0 (цель приближается) знак правой части выражения (3) меняется на противоположный, и максимум разностного сигнала x(nТ) будет опережать минимум (nТ < nТ).
макс
мин
R
макс
мин
R
На основании описанных закономерностей на выходе ВНД 16 формируется значение если знак разности n-n положителен (цель удаляется, v>0) или значение «0», если знак разности n-n отрицателен (цель приближается, v,<0).
R
BX
R
Функционирование системы (при обработке ЛЧМ сигналов, отраженных от удаляющейся цели, v>0) поясняют временные диаграммы, приведенные на фиг. 4. На временной диаграмме сигнал x(t) изображен, начиная с первого периода излучения. Излучаемый ЛЧМ импульс показан схематически для упрощения понимания. Из временных диаграмм следует, что после двух первых периодов зондирования на выходе В1 9 в каждом следующем периоде зондирования (четном и нечетном) формируются сигналы одинаковой формы, что обеспечивает возможность правильного определения направления движения цели (v>0).
Правильность функционирования системы была проверена моделированием. Полученные результаты моделирования соответствуют схематически показанным на фиг. 4 и подтверждают, что совокупность известных операций, примененных в описанном изобретении, обеспечивает достижение заявленных технических результатов.
Таким образом, описанное изобретение представляет собой систему селекции движущихся целей, обеспечивающую одновременное измерение дальности, радиальной скорости и направления движения объектов в каждом периоде зондирования.
Источники информации:
1. Патент 3225349 США. Moving target indicating radar system. Заяв.: 17.12.1962. Опубл.: 21.12.1965.
2. Патент 5870054 США. МПК G01S 13/528. Moving target indicator with no blind speeds. Заяв.: 10.12.1982. Опубл.: 09.02.1999.
3. Маркович И.И., Копытин А.П., Марьев А.А. Цифровая обработка сигналов в радиолокационном комплексе, использующем зондирующие сигналы с линейной частотной модуляцией и изменяющимся знаком девиации частоты // Матер. III Всероссийской науч. - тех. конф. «Суперкомпьютерные технологии» (СКТ-2014). - Т. 2. - Ростов-на-Дону: Изд-во ЮФУ, 2014. - С. 235-239.
4. Маркович И.И. Алгоритм селекции движущихся целей с череспериодной компенсацией огибающих сигналов. Радиолокационные системы специального и гражданского назначения. 2013-2015 / под ред. Ю.И. Белого. - М.: Радиотехника, 2016.
5. Система селекции движущихся целей с измерением дальности, радиальной скорости и направления движения: пат.262638 РФ МПК G01S 13/52(2006-01-01) / И.И. Маркович, А.А. Марьев. Заявитель и патентообладатель - ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет».-2016141527.3аяв.: 21.10.2016. Опубл.: 26.07.2017. Бюл. №21.
6. Маркович И.И. Реализация алгоритмов цифрового формирования квадратурных составляющих в локационных комплексах различного назначения // Вестник компьютерных технологий - 2006.-№6 - С. 16-21.
7. Маркович И.И. Цифровая обработка сигналов в системах и устройствах: монография / И.И. Маркович. - Ростов н/Д: Изд-во ЮФУ: 2012.-236 с.
8. Ч. Кук, М. Бернфельд. Радиолокационные сигналы. Пер. с англ. под ред. B.C. Кельзона. - М. Изд-во «Советское радио», 1971. - 568 с.
9. Трухачев А.А. Радиолокационные сигналы и их применения. - М.: Воениздат, 2005. - 320 с.