СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ВОЗДУШНОГО ОБЪЕКТА В РЕЖИМЕ ХАОТИЧНОЙ ПОИМПУЛЬСНОЙ ПЕРЕСТРОЙКИ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ ПРИ ОГРАНИЧЕННОМ КОЛИЧЕСТВЕ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ЧАСТОТ
METHOD OF MEASURING RADIAL VELOCITY OF AERIAL OBJECT IN RANDOM PULSE-WISE CARRIER FREQUENCY TUNING MODE WITH LIMITED NUMBER OF FREQUENCIES USED

Изобретение относится к области радиолокации и предназначено для измерения радиальной скорости воздушного объекта (ВО) при использовании поимпульсной перестройки несущей частоты по случайному закону в радиолокационных станциях (РЛС), имеющих ограничения на количество используемых рабочих частот.
Применение сигналов с поимпульсной перестройкой несущей частоты по случайному закону является одним из перспективных направлений совершенствования существующих РЛС. Использование поимпульсной перестройки несущей частоты совместно с изменением периода повторения зондирующих сигналов позволяет повысить помехоустойчивость радиолокационной системы [1], а также снизить эффективность традиционных и перспективных видов помех [2, 3]. Кроме того, применение сигналов с перестройкой частоты (СПЧ) может значительно расширить информационные возможности РЛС [1, 4, 5, 6].
До сих пор указанное направление совершенствования РЛС не нашло практической реализации в конкретных изделиях. Это вызвано сложностью создания большого количества частотных каналов для устранения неоднозначности измерения дальности при использовании импульсных сигналов с перестройкой частоты и малой скважностью. Сложность практической реализации перспективного режима перестройки частоты от импульса к импульсу может быть преодолена путем уменьшения количества используемых несущих частот. Однако в этом случае перестает эффективно работать единственный способ измерения радиальной скорости ВО [7]. В связи с этим актуальной является задача разработки способа измерения радиальной скорости ВО для перспективных РЛС с перестройкой частоты, использующих ограниченное число несущих частот.
r
Известен способ измерения радиальной скорости воздушного объекта в режиме перестройки частоты от импульса к импульсу [7]. Этот способ заключается в том, что излучают пачку сигналов с перестройкой частоты по случайному закону, принимают отраженные от ВО сигналы на n-х частотах, понижают частоты принимаемых сигналов до промежуточной, выделяют с помощью квадратурных фазовых детекторов квадратурные составляющие принятых сигналов, преобразовывают квадратурные составляющие в цифровую форму с помощью аналого-цифровых преобразователей и получают частотную характеристику (ЧХ) воздушного объекта, представляющую собой вектор G из совокупности откликов согласованного приемника на отраженные СПЧ. Способ основан на перефазировании ЧХ ВО путем домножения ее элементов на комплексный фазовый множитель, зависящий от радиальной скорости ВО и величины несущей частоты. В связи с тем, что радиальная скорость объекта требует определения, в интересах максимальной компенсации фазовых набегов, связанных с радиальным перемещением ВО (правильного перефазирования ЧХ), проводят перебор возможных значений радиальной скорости объекта, в результате которого с помощью вектора G формируют двумерную матрицу D, строки которой представляют собой набор перефазированных ЧХ. При переборе всех возможных (предполагаемых) радиальных скоростей ВО в одном из случаев (в одной из строк матрицы D) произойдет наилучшая компенсация негативных фазовых набегов, связанных с радиальным перемещением ВО. В качестве механизма оценки степени совпадения истинной радиальной скорости объекта V с ее предполагаемым значением используются дальностный портрет ВО [8] и значение энтропии данных, составляющих его вектор. При совпадении истинной и предполагаемой радиальной скорости ВО формируется наиболее информативный дальностный портрет (ДП), энтропия данных которого минимальна. Для этого формируют матрицу D1 путем проведения обратного преобразования Фурье с комплексными векторами данных каждой строки матрицы D, находят максимальное значение модуля комплексного сигнала в матрице D1 и делят комплексные величины всех элементов матрицы D1 на это значение (проводят ее нормирование), рассчитывают величину энтропии данных для каждой строки матрицы D1, находят значение предполагаемой радиальной скорости ВО, при котором энтропия данных, составляющих дальностный портрет, минимальна. Это значение принимают в качестве оценки радиальной скорости ВО.
Достоинствами способа являются высокая помехоустойчивость и индифферентность к сложности и размерам геометрической конструкции ВО. Однако способ [7] предполагает использование большого количества несущих частот (не менее 64). Уменьшение числа используемых частот (импульсов) в пачке приводит к недопустимому снижению точности измерения радиальной скорости ВО способом [7] и его неработоспособности при повышенном уровне шумов. А рекомендуемое число частот (не менее 64) ведет к усложнению конструкции соответствующей РЛС, а именно - к недопустимо большому числу каналов обработки, обеспечивающему однозначное измерение дальности за счет развязки по частоте, а также за счет соответствующего увеличения скважности в каждом канале. Налицо необходимость совершенствования известного способа [7] в направлении уменьшения числа используемых рабочих частот перестройки при сохранении точности оценок измерения скорости.
Задачей изобретения является обеспечение измерения радиальной скорости ВО в режиме хаотичной поимпульсной перестройки несущей частоты при ограниченном количестве используемых рабочих частот.
k
ук
Для решения задачи изобретения предлагается в пачке сигналов использовать при зондировании импульсы одинаковой частоты несколько раз, что не противоречит случайности (хаотичности) закона перестройки. Количество сигналов в пачке Q должно существенно превышать количество используемых частот N. Число Q выбирается равным 2, где k - целое число в диапазоне от 6 до 9. Выбор указанного значения числа Q обусловлен стремлением к использованию при обработке алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ), позволяющих существенно ускорить получение результата [9]. Количество сигналов одинаковой несущей частоты S в пачке выбирается равным S=Q/N, причем число Q рекомендуется выбирать кратным числу N или обеспечивать подбором числа N деление числа Q на N без остатка. Длительность Δt пачки СПЧ выбирают равной интервалу Т угловой корреляции поворота воздушного объекта, составляющему величину не более 5 мс [10, 11].
0
0
пер
0
пер
пер
n
0
0
1
1
Для формирования пачки СПЧ в оперативном запоминающем устройстве РЛС формируют последовательность номеров и величин используемых частот от f до f+F, где f - основная несущая частота зондирующего сигнала сантиметрового диапазона, F=150 МГц - диапазон, в котором осуществляется перестройка частоты от импульса к импульсу с шагом Δf=F/(N-1). Величины используемых n-х частот выбирают с учетом выражения f=f+nΔf, где n - номер используемой частоты . Каждому импульсу из состава пачки присваивают индекс (идентификационный номер) q . В оперативном запоминающем устройстве необходимо формировать последовательность идентификационных номеров q, причем номер частоты n импульса с индексом q определятся выражением n=trunc(q/S), где trunc(x) - оператор выделения целой части числа х путем отбрасывания дробной части. Другими словами, импульсы с идентификационными номерами  формируются на частоте f, импульсы с идентификационными номерами  формируются на частоте f и т.д. Например, в пачке, состоящей из 64 импульсов (Q=64), при использовании восьми рабочих частот (N=8, S=8), импульс с идентификационным номером q=11 будет сформирован на частоте с номером n=trunc(11/8)=trunc(1,375)=1 или на частоте f.
q
Затем сформированную последовательность идентификационных номеров импульсов перераспределяют по случайному закону, при котором время излучения t импульса с идентификационным номером q определяется по формуле
,
i
q
где T - период следования (повторения) импульсов внутри пачки;  - порядковый номер излучения импульса с идентификационным номером q, принимающий значение от 1 до Q, единожды повторяющееся в пределах пачки СПЧ. Например, если в 26-м периоде зондирования излучен импульс с идентификационным номером 17, то  при q=17. Величины t запоминаются в интересах последующей обработки в виде вектора Т, состоящего из Q элементов.
0
d n
d n
пр n
пр 0
d n
пр 0
Далее предлагается принимать отраженные от ВО сигналы на разных частотах f+nΔf+F, где F - доплеровская частотная добавка отраженного сигнала на n-й частоте, обусловленная радиальной скоростью ВО. Затем предлагается понижать частоту принимаемых сигналов до соответствующей n-й промежуточной частоты f=f+nΔf+F, где f - основная промежуточная частота, и усиливать сигналы с помощью широкополосных усилителей промежуточной частоты.
пр 0
d n
В последующем необходимо с помощью полосовых фильтров проводить фильтрацию сигналов, в результате которой сигналы с частотами f+nΔf+Fпоступают в соответствующие n-е частотные каналы (число частотных каналов равно числу используемых частот), выделять с помощью квадратурных фазовых детекторов [12, 13] квадратурные составляющие принятых сигналов и преобразовывать квадратурные составляющие принятых сигналов в цифровую форму с помощью аналого-цифровых преобразователей.
Затем предлагается проводить цифровую согласованную фильтрацию каждого принятого импульсного сигнала в отдельности, расставлять принятые сигналы в порядке линейного увеличения идентификационного номера q (в порядке линейного увеличения частоты) и формировать вектор G, состоящий из Q элементов (фиг.1). При этом в q-й элемент указанного вектора G записывают комплексное значение  отклика согласованного приемника на сигнал с идентификационным номером q.
r max
r max
После этого необходимо формировать двумерную матрицу данных W (фиг.1), состоящую из V строк и Q столбцов, где V=(2V/dV+1), V - максимально возможная радиальная скорость ВО, dV - интервал дискретизации (шаг перебора) предполагаемой радиальной скорости объекта. Множитель 2 определяет возможность измерения положительных и отрицательных радиальных скоростей ВО.
Под строкой понимается совокупность элементов  двумерной матрицы, у которых изменяется только индекс q, а индекс v остается неизменным, т.е. изменение величин принятых сигналов в строке определяется изменением их несущей частоты и времени излучения. У элементов , входящих в состав столбцов, изменяется только индекс v при неизменности индекса q (фиг.1).
В элементы двумерной матрицы W следует записывать комплексную величину , рассчитанную по формуле
q
где  - комплексная величина q-го элемента вектора G, с - скорость распространения электромагнитных волн. Значения времени излучения t извлекаются из q-x элементов сохраненного ранее вектора Т. В результате проведения указанных операций совокупность строк матрицы W будет представлять собой набор перефазированных частотных характеристик ВО.
max
Далее предлагается путем проведения обратного БПФ с комплексными векторами данных каждой строки матрицы W формировать двумерную матрицу W1 (фиг.1), после чего находить в ней максимальное значение W1 модуля составляющих ее комплексных величин. После деления значений элементов матрицы на найденное максимальное значение предлагается записывать результаты деления в элементы (ячейки), ранее соответствующие элементам, используемым в качестве делимых при делении. Номера строк и столбцов (индексов элементов ) матрицы W1 будут аналогичны номерам столбцов и строк (индексов элементов ) исходной матрицы W. Другими словами, необходимо нормировать элементы матрицы W1.
max
Таким образом, в элементах строк матрицы W1 будут сначала размещены элементы векторов, являющихся результатом обратного БПФ над векторами строк исходной матрицы W, а затем результаты деления записанных комплексных величин на максимальное значение модуля комплексных величин W1.
v
Далее предлагается рассчитывать величину энтропии данных H [14] для каждой v-й строки матрицы W1 по формуле [7]
где  - элементы матрицы W1, полученной после проведения обратного БПФ с комплексными векторами данных каждой строки матрицы W и нормировки ее элементов.
min H
v min
Далее предлагается формировать вектор Н, состоящий из V элементов, в которых будут содержаться значения энтропии, изменяющиеся в соответствии с изменением предполагаемой радиальной скорости ВО (фиг.1). На конечном этапе предлагается находить в сформированном векторе Н номер столбца v, содержащего наименьшее значение энтропии H и по номеру найденного столбца определять оценку радиальной скорости ВО  по формуле
Сущность способа измерения радиальной скорости ВО в режиме хаотичной поимпульсной перестройки частоты при ограниченном количестве используемых частот состоит в следующем.
r
При излучении пачки сигналов с перестройкой несущей частоты по случайному закону и приеме отраженных сигналов q-й член полученной ЧХ воздушного объекта, движущегося со скоростью V, определяется по формуле
,
m
m ||
m
где m - порядковый номер рассеивающего центра (РЦ); М - количество РЦ на планере ВО; σ - эффективная площадь рассеяния (ЭПР) m-го РЦ [12]; R- расстояние от точки опорной дальности до m-го РЦ по радиальной координате в момент излучения первого импульса из состава пачки СПЧ; ψ - величина фазы, обусловленной отражением импульсного сигнала от m-го РЦ.
Обработку ЧХ предлагается проводить аналогично способу оценки радиальной скорости, приведенному в [7]. Проведение обратного БПФ с элементами ЧХ неподвижного воздушного объекта позволяет получить его ДП [8]. В интересах обеспечения соответствия параметров обрабатываемой пачки СПЧ ситуации неподвижности объекта необходимо проводить перефазировку ЧХ путем умножения ее элементов на комплексный фазовый множитель
.
r max
В связи с тем, что значение радиальной скорости является неизвестным, необходимо по аналогии с [7] воспользоваться методом их подбора. При переборе всех возможных (предполагаемых) значений радиальной скорости в диапазоне ±V в одном из случаев (когда истинная радиальная скорость объекта равна ее предполагаемому значению) произойдет наилучшая компенсация фазовых искажений, связанных с радиальным перемещением ВО. В результате проведения с перефазированной ЧХ обратного преобразования Фурье будет сформирован информативный ДП объекта (фиг.2), в котором каждому m-му рассеивателю на поверхности ВО соответствует вполне определенный импульсный отклик [4, 5]. Выражения для когерентного ДП известны и представлены в [8].
Геометрическая конструкция объекта (количество рассеивателей на его поверхности и расстояния между ними), а также вид соответствующего ДП тоже являются неизвестными. В качестве критерия определения максимального совпадения истинной радиальной скорости и истинного радиального ускорения ВО с их предполагаемыми значениями целесообразно использовать минимум энтропии системы [14]. Энтропия данных, составляющих ДП, минимальна при совпадении истинного радиального ускорения с его предполагаемым значением, которое следует выбирать в качестве оценки радиального ускорения ВО по аналогии со способом [7].
min
H
v min
Таким образом, для обеспечения измерения радиальной скорости ВО по аналогии со способом [7] необходимо проводить перебор возможных значений скорости объекта, проводя перефазировку ЧХ с учетом каждого из них. В результате будет сформировано V дальностных портретов. При совпадении истинного и подбираемого значения радиальной скорости ВО будет сформирован наиболее информативный когерентный ДП объекта, энтропия данных которого минимальна. Оценка радиальной скорости ВО  определяется по номеру столбца v, содержащего наименьшее значение энтропии H.
Для проверки работоспособности предложенного способа измерения радиальной скорости ВО был использован метод математического моделирования. В исследованиях использовались модели ВО типа В-52, В-1В, F-15, F-16, F/A-18, Ан-124, Ил-76, А-10А, Q-5, Е-3С, Ту-134, Ил-86, Boeing-747, построенные методом аппроксимации их конструкции телами простой геометрической формы [15]. Эффективная площадь рассеяния РЦ вычислялась с учетом ракурса планера ВО. Изменение уровня шумов имитировались аддитивным добавлением в квадратурные составляющие отраженного сигнала дополнительных компонентов, распределенных по нормальному закону [16].
r
Значения предполагаемых скоростей ВО при моделировании изменяли в диапазоне ±700 м/с. Шаг перебора составлял 0,1 м/с. Результат обработки пачки СПЧ выводился в виде графиков зависимости энтропии вектора данных, составляющих ДП, от предполагаемого значения радиальной скорости ВО. Вариант одной из таких зависимостей изображен на фиг.3. Для построения графика имитировалось движение ВО типа F-16 с радиальной скоростью V=200 м/с.Количество импульсов в пачке СПЧ составляло Q=64 (N=8, S=8). Фиг.3 подтверждает возможность измерения радиальной скорости ВО в режиме хаотичной поимпульсной перестройки несущей частоты при ограниченном количестве используемых частот. Положение минимума по оси предполагаемых скоростей ВО соответствует его истинной радиальной скорости. Оценка радиальной скорости ВО в случае, показанном на фиг.3, составила
Анализ 1000 зависимостей, построенных для каждого из 13 типов моделей летательных аппаратов, подтвердил работоспособность предложенного способа оценки радиальной скорости ВО.
При проведении 1000 расчетов заявляемым способом ошибка измерения радиальной скорости не превысила 1,3 м/с при отношении сигнал-шум 13 дБ на входе системы обработки, что говорит о работоспособности способа и сохранении уровня точности оценок измерения скорости при уменьшении количества используемых частот.
Предложенный способ легко реализуем и имеет следующие достоинства: возможность качественной оценки радиальной скорости ВО в режиме перестройки несущей частоты при малом числе рабочих частот перестройки, высокая помехоустойчивость за счет поимпульсной перестройки несущей частоты по случайному закону, что исключает негативное влияние прицельных по частоте помех, простота технической и цифровой реализации. Предложенный способ может найти применение в перспективных РЛС обзора и сопровождения с поимпульсной перестройкой несущей частоты.
Источники информации
1. Радиолокационные системы многофункциональных самолетов. Т.1. РЛС - информационная основа боевых действий многофункциональных самолетов. Системы и алгоритмы первичной обработки радиолокационных сигналов / Под ред. А.И.Канащенкова и В.И.Меркулова. - М.: Радиотехника, 2006. - 656 с.
2. Радиоэлектронное подавление информационных каналов систем управления оружием / Под ред. Ю.М.Перунова. - М.: Радиотехника, 2008. - 416 с.
3. Защита радиолокационных систем от помех. Состояние и тенденции развития / Под ред. А.И.Канащенкова и В.И.Меркулова. - М.: Радиотехника, 2003. - 416 с.
4. Митрофанов Д.Г. Нейросетевая идентификация воздушных объектов по радиолокационным изображениям // Измерительная техника, 2006. №2. С.53-59.
5. Митрофанов Д.Г., Сафонов А.В. Применение нейросетевой технологии для распознавания целей по радиолокационным изображениям // Нейрокомпьютеры, 2006. №3. С.60-68.
6. Радиоэлектронные системы. Справочник / Под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: Радиотехника, 2007. - 512 с.
7
7. Патент РФ №2326402 от 10.06.2008, МКИ G01S 13/58. Способ измерения радиальной скорости воздушной цели в режиме перестройки частоты от им пульса к импульсу. Савостьянов В.Ю., Майоров Д.А., Митрофанов Д.Г., Прохоркин А.Г. Заявка №2007101537. Приоритет 17.01.2007. Бюлл. №16. Часть 3. С.752. (прототип).
8. Митрофанов Д.Г., Сафонов А.В. Применение вейвлет-анализа для со хранения структуры дальностных портретов воздушных целей при повышении уровня шумов // Электромагнитные волны и электронные системы, 2005. №9. С.19-24.
9. Охрименко А.Е. Основы радиолокации и радиоэлектронная борьба. Ч.1. Основы радиолокации. - М.: Воениздат, 1983. - 456 с.
10. Григорин-Рябов В.В. Радиолокационные устройства. - М.: Сов. радио, 1970. - 680 с.
11. Бартон Д.К., Вард Г.Р. Справочник по радиолокационным измерениям. Пер. с англ. / Под ред. М.М.Вейсбейна. - М.: Сов. радио, 1976. - 392 с.
12. Справочник по радиолокации / Под ред. М.И. Сколника. Пер. с англ. Т.1. - М.: Сов. радио, 1978.
13. Справочник по основам радиолокационной техники / Под ред. В.В. Дружинина. - М.: Воениздат, 1967. - 768 с.
14. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Высш. шк., 2001. - 575 с.
15. Криспин Ж.В., Маффетт А.Л. Оценка радиолокационного поперечного сечения тел простой формы // ТИИЭР, 1965. Т.53. №8. С.960-975.
16. Майоров Д.А., Митрофанов Д.Г. Формирование статистических распределений отражений от воздушных целей и помех естественного происхождения на основе данных натурного эксперимента. - М.: ЦВНИ МО РФ, 2007. - 12 с. - Деп. в Центральном справочно-информационном фонде МО РФ 17.09.07, № В6688.