МОНОИМПУЛЬСНЫЙ РАДИОЛОКАТОР

Полезная модель относится к радиолокации и может быть использована в многофункциональных береговых, аэродромных и корабельных радиолокационных станциях (РЛС) для обнаружения наземных и надводных объектов, в том числе и малоразмерных, а также в системах управления воздушным движением.
Известны традиционные радиолокаторы, осуществляющие обзор воздушного пространства и земной поверхности путем сканирования лучем в азимутальной и угломестной плоскостях. Однако их применение малоэффективно для обнаружения малоразмерных объектов (крылатых ракет, беспилотных летательных аппаратов (БЛА) и им подобных) при помеховых отражениях сигнала от предметов на подстилающей поверхности.
Известен моноимпульсный радиолокатор (А.И. Леонов, К.И. Фомичев. Моноимпульсная радиолокация. М.: Радио и связь, 1984 г., 26-40 с).
Недостатками этого устройства являются низкая точность измерения дальности до объекта, отсутствие в блоке управления и первичной обработки информации об определении скорости и параметрах подстилающей поверхности в районе анализа.
Наиболее близким к описываемой полезной модели является моноимпульсный радиолокатор (RU, патент 2460089, от 29.03.2011) (прототип), содержащий приемную и передающую фазированную антенную решетку (ФАР), аппаратуру формирования суммарной и разностной азимутальной диаграммы направленности (ДН) антенн, приемное и передающее устройство, блок управления и первичной обработки, а также генератор сигналов и систему стробирования.
Цель полезной модели - обеспечение обнаружения малоразмерных движущихся и неподвижных целей с учетом подстилающей поверхности и повышение точности определения их скорости.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее приемную фазированную решетку (ФАР), передающую ФАР, формирователь суммарной и разностной азимутальной диаграммы направленности (ДН) антенн, первый выход которой соединен с третьим входом передающей ФАР, а второй вход - с выходом приемной ФАР, приемное устройство, второй вход которого соединен со вторым выходом формирователя суммарной и разностной ДН антенн, передающее устройство, выход которого соединен с первым входом формирователя суммарной и разностной азимутальной ДН антенн, генератор сигналов, второй выход которого соединен с первым входом передающего устройства, а третий выход - с первым входом приемного устройства, блок управления и первичной обработки, первый выход которого соединен со вторым входом передающего устройства, второй выход - с первым входом передающей ФАР, третий выход - со вторым входом приемной ФАР, систему стробирования, первый выход которой соединен со вторым входом передающей ФАР, второй выход - с первым входом приемной ФАР, а первый вход - с четвертым выходом блока управления и первичной обработки, дополнительно введены блок вычисления скорости летательного аппарата (ЛА), содержащий сдвиговый регистр, блок весовых коэффициентов, блок перемножителей, первые входы которого соединены с n выходами сдвигового регистра, а вторые входы - с n выходами блока весовых коэффициентов, сумматор, n входов которого соединены с n выходами блока перемножителей, первое арифметико-логическое устройство (АЛУ), вход которого соединен с пятым выходом блока управления и первичной обработки, а выход - со входом сдвигового регистра, второе арифметико-логическое устройство, первый вход которого соединен с выходом сумматора, второй вход - с шестым выходом блока управления и первичной обработки, а выход - с третьим входом блока управления и первичной обработки; индикаторное устройство, вход которого соединен с седьмым выходом блока управления и первичной обработки, блок учета подстилающей поверхности, содержащий блок исходных данных, первый вход которого соединен с третьим выходом системы стробирования, блок вычисления угла между вектором нормали и линией визирования, первый вход которого соединен с третьим выходом блока исходных данных, а второй вход - с девятым выходом блока управления и первичной обработки, блок вычисления удельных ЭПР, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления угла между вектором нормали и линией визирования, второй вход - со вторым выходом блока исходных данных, блок вычисления ЭПР фона, первый ход которого соединен с выходом блока вычисления удельных ЭПР, второй вход - с первым выходом блока исходных данных, а третий вход - с девятым выходом блока управления и первичной обработки, блок вычисления ЭПР фона и цели, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления ЭПР фона, второй вход - с восьмым выходом блока управления и первичной обработки, а выход - с четвертым входом блока управления и первичной обработки.
Сравнение с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и их связями между ними. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные элементы, используемые в блоках, являются известными, однако их введение в указанной связи с остальными элементами приводит к расширению функциональных возможностей устройства.
Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 - цифровой нерекурсивный фильтр, на фиг. 3 - пояснения к вопросу вычисления скорости ЛА, на фиг. 4 - блок учета подстилающей поверхности.
Устройство включает: передающую ФАР 1, приемную ФАР 2, формирователь суммарной и разностной ДН антенны 3, передающее устройство 4, приемное устройство 5, генератор сигналов 6, блок управления и первичной обработки 7, систему стробирования 8, индикаторное устройство 9, блок вычисления скорости ЛА 10, состоящий из арифметико-логического устройства (АЛУ 1) 10-1, сдвигового регистра 10-2, блока весовых коэффициентов 10-3, перемножителей 10-4, сумматора 10-5, арифметико-логического устройства (АЛУ 2) 10-6, блок учета подстилающей поверхности 11, включающий в себя блок исходных данных 11-1, блок вычисления угла между вектором нормали и линией визирования 11-2, блок вычисления удельных ЭПР 11-3, блок вычисления ЭПР фона 11-4, блок вычисления ЭПР фона и цели 11-5.
Устройство работает следующим образом.
Известно, что абсолютное значение (модуль) скорости определяется следующим образом:
где - составляющие вектора скорости по направлениям осей нормальной прямоугольной земной системы координат XYZ с началом в точке стояния РЛС.
Так как высота постоянна, вертикальная составляющая вектора скорости равна нулю. Поэтому модуль скорости равен:
Значения составляющих вектора скорости определяются или оцениваются по выборкам значений прямоугольных декартовых координат.
В теории оценивания эти координаты называются измеряемыми функциями и вычисляются по измеренным значениям сферических координат (наклонной дальности r, азимута β и угла места ε):
Известны устройства определения составляющих скорости, реализующие алгоритмы последовательной фильтрации параметров линейной траектории, называемые также фильтрами Калмана:
где - сглаженные значения (оценки) скорости по данным n и n-1 измерений координаты х;
- коэффициент усиления при равноточных измерениях;
- измеренные и экстраполированные значения координаты;
0
T - период поступления измерений;
n - число измерений.
С увеличением n коэффициент усиления приближается к нулю и алгоритм перестает реагировать на изменение входного сигнала. Наступает явление расходимости фильтра, ошибки фильтрации резко возрастают. Поэтому такой линейный рекуррентный фильтр непригоден для практического использования без принятия специальных мер коррекции /1/.
Известны способы определения составляющих скорости, реализующие алгоритмы численного дифференцирования выборок значений прямоугольных координат. В этих алгоритмах оценка (сглаженное значение) скорости вычисляется для средней точки выбранного временного интервала
cp-k
cp+k
[t,t] наблюдения /2/:
где - значение скорости, вычисляемое по разности значений двух равноотстоящих от середины интервала координат; k - число вычислений.
Среднеквадратическая ошибка (СКО) оценивания вычисляется по формуле:
где
СКО измерения координаты х;
ср
r - дальность до середины интервала;
cp,
cp
βε - азимут и угол места ЛА в середине интервала;
σr, σβ, σε - измерения дальности, азимута и угла места.
Как видно из формулы (6а), доминирующее влияние на СКО определения координаты и скорости оказывают ошибки измерения азимута. Влияние СКО измерения угла места при небольших, по сравнению с дальностью до ЛА, высотах можно не учитывать. Ошибки измерения дальности практически не влияют на точность определения скорости.
o
i
i
Также известны способы определения составляющих скорости, реализующие алгоритмы оценивания скорости путем оптимального взвешенного суммирования фиксированных выборок значений прямоугольных координат /1/. При независимых, равнодискретных (T=const) и равноточных измерениях координат х, y, составляющие скорости вычисляются по известным формулам /1/:
где - весовые коэффициенты оптимального оценивания скорости изменения измеряемой функции.
Среднеквадратические ошибки оценивания составляющих скорости вычисляются по формулам /1/:
где - СКО измерения координаты у.
Как видно из (6) и (12), доминирующее влияние на точность оценивания составляющих скорости оказывают СКО измерения азимута, а влияние СКО измерения дальности несущественно. Погрешности оценивания составляющих скорости, вычисляемые по формулам (5), (10) и (11) одинаковы.
i
i
Устройства, реализующие алгоритмы (7) и (8) вычисления оптимальных оценок составляющих скорости, называются цифровыми нерекурсивными фильтрами (ЦНРФ). Весовые коэффициенты η образуют последовательность импульсной характеристики этих фильтров. Значения коэффициентов η могут быть вычислены заранее до проведения измерений и хранятся в блоке весовых коэффициентов, представляющим собой постоянное запоминающее устройство (ПЗУ).
В состав нерекурсивного фильтра входят: сдвиговый регистр, блок весовых коэффициентов, блок перемножителей, первые входы которого соединены с n выходами сдвигового регистра, а вторые входы - с n выходами блока весовых коэффициентов, сумматор, n входов которого соединены с n выходами блока перемножителей.
Составляющие скорости вычисляются по формулам (7) и (8), то есть путем оптимального взвешенного суммирования выборок значений прямоугольных координат.
Оценка (сглаженное значение) модуля скорости неманеврирующего летательного аппарата вычисляется по формуле:
СКО измерения азимута равна /3/:
где - ширина диаграммы направленности антенны;
_
λ  длина волны;
d - размер апертуры антенны;
q - отношение сигнал/шум.
i
i
Определение скорости производится путем оптимального взвешенного суммирования выборок значений квадратов наклонной дальности до летательного аппарата , а не значений его прямоугольных координат x,y. В заявляемом устройстве определение модуля скорости производится по следующему алгоритму:
где - оценка второй производной (ускорения), вычисляемая путем оптимального взвешенного суммирования выборок значении квадратов дальности ;
- весовые коэффициенты оценивания второй производной (ускорения) при равноточных и равнодискретных измерениях /1/.
i
i
Значения весовых коэффициентов  η, могут быть вычислены заранее до проведения измерений и храниться в блоке весовых коэффициентов 10-3. Вычисление текущих значений  производится в АЛУ 1 (10-1) (возведение в квадрат r). Далее эти значения поступают в сдвиговый регистр 10-2 (n разрядов) и вся выборка  перемножается в блоке перемножителей 10-4 с данными блока весовых коэффициентов 10-3 . Перемноженные значения ηi поступают в сумматор 10-5 и далее в АЛУ 2 (10-6), где производится окончательное вычисление модуля скорости по формуле 15.
Методом частных производных из выражения (15) получим формулу для вычисления значений СКО оценивания модуля скорости в заявляемом устройстве:
Среднеквадратическая ошибка оценивания второй производной (ускорения) равна:
где
В итоге формула (16) приводится к следующему виду:
ср
0
0
Как видно из (18) точность определения скорости зависит прямо пропорционально от дальности до ЛА r, ошибок ее измерения σr и обратно пропорционально от числа измерений n, темпа поступления измерений T и длины интервала наблюдения, которая равна V(n-1)T.
Ошибки измерения азимута и угла места не оказывают влияния на точность определения скорости. Кроме того, точность определения скорости не зависит от курса ЛА.
С целью обеспечения непрерывности наблюдения за низколетящими ЛА предлагается в составе радиолокационного комплекса дополнительно осуществлять оценку условий радиолокационной видимости с использованием имитационной модели, исходной информацией для которой служит цифровая модель местности в зоне анализа радиолокационного комплекса.
0k1
Каждый дискретный элемент (k, l, δ ∈ Ω) цифровой модели (элементарная площадка (ЭП)) оценивается удельной эффективной площадью рассеяния (ЭПР) σ, где Ω - цифровая матрица с шагом дискретизации δ, соизмеримым с разрешающей способностью РЛС.
0k1
0k1
Из модели Гюйгенса-Кирхгофа следует, что при имитационном моделировании значений σ каждую ЭП с вектором нормали  фиг. 4)можно заменить эквивалентным точечным отражателем, обладающим удельной ЭПР σ (β) с максимумом в направлении нормали . Здесь β - угол между линией визирования и нормалью .
0k1
Значение σ может быть определено по формуле [4]:
i
где a - параметры, получаемые эмпирическим путем;
λ - длина волны радиолокационного комплекса.
2
Знак "+" в многочлене (1±sinβ) соответствует вертикальной, а "-" горизонтальной поляризации.
Величина ЭПР фона подстилающей поверхности может быть рассчитана по формуле:
kl
где θ - ширина диаграммы направленности антенны по половинной
мощности на (k,l)-й ЭП;
kl
R - расстояние до (k,l)-го участка анализа;
kl
φ - угол наклона луча антенны к горизонту на(k,l) - ЭП (фиг. 4).
Ф kl
1 kl
Каждую (k,l)-ю ЭП можно рассматривать как модель двух излучателей: непосредственно фона σ и цели σ, если они находятся (или будут находиться) на этой ЭП.
0kl
При вычислении σ видимых участков местности должен учитываться их наклон относительно наблюдателя, так как большинство подстилающих поверхностей обладает достаточно узкими диаграммами рассеяния, сравнимыми с пределами изменения положения нормали к ЭП.
Вычисление параметров удельных ЭПР и ЭПР фона подстилающей поверхности осуществляется в блоках 11-2 - 11-4. В блоке 11-5 вычисляется ЭПР фона и цели, данные по которой поступают с РЛС вместе с координатами обнаруженного ЛА.
Таким образом, введение блоков вычисления скорости ЛА и учета подстилающей поверхности расширяет функциональные возможности устройства за счет высокоточного измерения положения объектов в пространстве и их скорости.
Список использованной литературы
1. Кузьмин С.З. Основы проектирования систем обработки радиолокационной информации. М: «Радио и связь», 1986.
2. Жданюк Б.Ф. Основы статистической обработки траекторных измерений. - М.: Сов. радио, 1978.
3. Теоретические основы радиолокации под ред. Я.Д. Ширмана. Сов. радио, М. 1970.