Способ сопровождения вертолета в импульсно-доплеровской радиолокационной станции
METHOD OF TRACKING A HELICOPTER IN A PULSE-DOPPLER RADAR STATION

Изобретение относится к области вторичной обработки радиолокационных сигналов и может быть использовано для обеспечения бессрывного сопровождения вертолета в импульсно-доплеровской радиолокационной станции (РЛС).
Известен способ сопровождения воздушной цели, который может быть применен и для сопровождения вертолета по отражениям сигналов от его фюзеляжа и заключающийся в отслеживании вертолета на основе процедуры оптимальной линейной многомерной дискретной калмановской фильтрации по дальности, скорости и ускорению [1].
Недостатком данного способа сопровождения является невозможность с его помощью обеспечить бессрывное сопровождение вертолета в случае отсутствия приращения доплеровской частоты, обусловленное скоростью сближения вертолета с носителем импульсно-доплеровской РЛС.
ф
ф
Известен способ сопровождения воздушной цели, который может быть использован и для сопровождения вертолета, заключающийся в том, что сигнал, отраженный от вертолета на промежуточной частоте в импульсно-доплеровской РЛС подвергается узкополосной доплеровской фильтрации на основе процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ) и преобразуется в амплитудно-частотный спектр, составляющие которого обусловлены отражениями сигнала от фюзеляжа вертолета и вращающихся лопастей его несущего винта, в каждый k-й (k=1, …, К; К - общее количество отсчетов дискретного времени) дискретный момент времени определяется отсчет доплеровской частоты спектральной составляющей с максимальной амплитудой А, превысившей порог и соответствующий отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, осуществляется фильтрация в фильтре сопровождения полученных отсчетов F, доплеровских частот, соответствующих отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, в результате чего на выходе фильтра сопровождения формируется оценка  доплеровской частоты [2].
ф
ф
ф
Недостатком данного способа сопровождения является невозможность с его помощью обеспечить бессрывное сопровождение вертолета в случае отсутствия или незначительного приращения доплеровской частоты, обусловленное скоростью сближения вертолета с носителем импульсно-доплеровской РЛС, а также флюктуаций сигнала, отраженного от фюзеляжа вертолета. Так, например, при полете вертолета в режиме «висение» в спектре отраженного сигнала будет отсутствовать спектральная составляющая сигнала с амплитудой А, обусловленная скоростью сближения вертолета (его фюзеляжа) с носителем РЛС, что приведет к срыву сопровождения вертолета. Кроме того, ввиду флюктуаций сигнала, отраженного от фюзеляжа вертолета, даже при его стационарном полете или с ускорением, также возможны ситуации, когда амплитуда А спектральной составляющей сигнала, отраженного от фюзеляжа вертолета, не будет превышать установленный порог, что приведет к отсутствию на входе фильтра сопровождения соответствующего отсчета F доплеровской частоты, а следовательно и к срыву сопровождения вертолета в целом.
Цель изобретения - обеспечить бессрывное сопровождение вертолета в импульсно-доплеровской радиолокационной станции.
ф
ф
1
ф
ф
i
2
ф
2
1
э
Для достижения цели в способе сопровождения вертолета в импульсно-доплеровской РЛС, заключающемся в том, что сигнал, отраженный от вертолета на промежуточной частоте в импульсно-доплеровской РЛС подвергается узкополосной доплеровской фильтрации на основе процедуры БПФ и преобразуется в амплитудно-частотный спектр, составляющие которого обусловлены отражениями сигнала от фюзеляжа вертолета и вращающихся лопастей его несущего винта, в каждый k-й (где k=1, …, К; К - общее количество отсчетов дискретного времени) дискретный момент времени определяется отсчет F доплеровской частоты спектральной составляющей с максимальной амплитудой А, превысившей первый порог U и соответствующий отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, осуществляется фильтрация в первом фильтре сопровождения полученных отсчетов F доплеровских частот, соответствующих отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, в результате чего на выходе первого фильтра сопровождения формируется оценка  доплеровской частоты, дополнительно с определением отсчетов F доплеровских частот, соответствующих отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, в каждый k-й дискретный момент времени определяются отсчеты F, (где i=1, …, I; I - общее количество амплитуд спектральных составляющих, превысивших второй порог U), соответствующие отражениям сигнала от лопастей несущего винта вертолета за исключением спектральной составляющей с максимальной амплитудой А и соответствующей отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, при этом величина второго порога U в n раз меньше величины первого порога U, вычисляется один отсчет F доплеровской частоты, соответствующий энергетическому центру отражений сигнала от лопастей несущего винта вертолета, как
где
М{…} - операция математического ожидания;
i
A - i-я амплитуда спектральной составляющей сигнала, соответствующая отражениям сигнала от лопастей несущего винта вертолета,
э
ф
1
i
2
1
осуществляется фильтрация во втором фильтре сопровождения полученных последовательных в дискретном времени отсчетов F доплеровских частот, соответствующих энергетическому центру отражений сигнала от лопастей несущего винта вертолета, при наличии отсчетов F доплеровских частот спектральных составляющих, превысивших первый порог U и соответствующих отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, на выходе формируется оценка  доплеровской частоты с выхода первого фильтра сопровождения вертолета по отражениям сигнала от его фюзеляжа, при наличии отсчетов F доплеровских частот спектральных составляющих, превысивших второй порог U и не превысивших первый порог U, на выходе формируется оценка  доплеровской частоты с выхода второго фильтра сопровождения вертолета по отражениям сигнала от лопастей его несущего винта.
Новыми признаками, обладающими существенными отличиями, являются:
ф
i
2
ф
2
1
1. Определение в каждый k-й дискретный момент времени одновременно с формированием отсчетов F доплеровских частот, соответствующих отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, отсчетов F доплеровских частот амплитуд спектральных составляющих сигнала, превысивших второй порог U, соответствующие отражениям сигнала от лопастей несущего винта вертолета, за исключением спектральной составляющей с максимальной амплитудой А и соответствующей отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, при этом величина второго порога U в n раз меньше величины первого порога U.
э
2. Вычисление одного отсчета F доплеровской частоты, соответствующего энергетическому центру отражений сигнала от лопастей несущего винта вертолета в соответствии с выражением (1).
э
3. Фильтрация во втором фильтре сопровождения полученных отсчетов F доплеровских частот, соответствующих энергетическому центру отражений сигнала от лопастей несущего винта вертолета.
ф
1
i
2
1
4. Использование при наличии отсчетов F доплеровских частот спектральных составляющих, превысивших первый порог U и соответствующих отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета оценки  доплеровской частоты с выхода первого фильтра сопровождения вертолета по отражениям сигнала от его фюзеляжа, а при наличии отсчетов F доплеровских частот спектральных составляющих, превысивших второй порог U и не превысивших первый порог U - оценки  доплеровской частоты с выхода второго фильтра сопровождения вертолета по отражениям сигнала от лопастей его несущего винта.
Данные признаки обладают существенными отличиями, так как в известных способах не обнаружены.
Применение новых признаков в совокупности с известными позволит обеспечить бессрывное сопровождение вертолета в импульсно-доплеровской РЛС.
На рисунке 1 приведена блок-схема, поясняющая предлагаемый способ сопровождения вертолета в импульсно-доплеровской РЛС, на рисунке 2 (а, б, в, г, д) - эпюры, поясняющие процесс бессрывного сопровождения вертолета.
Способ сопровождения вертолета в импульсно-доплеровской РЛС реализуется следующим образом.
ф
i
На вход блока 1 БПФ (рисунок 1) на промежуточной частоте с выхода приемника РЛС поступает сигнал S(t) (рисунок 2а), отраженный от вертолета, который подвергается узкополосной доплеровской фильтрации на основе процедуры БПФ и преобразуется в амплитудно-частотный спектр S(f) (рисунок 2б), составляющие которого обусловлены отражениями сигнала от фюзеляжа А сопровождаемого вертолета и вращающихся лопастей его несущего винта А.
ф
i
1
2
2
1
С выхода блока 1 БПФ (рисунок 1) на первые входы пороговых устройств 2 и 3 поступают соответственно значения амплитуд А и А амплитудно-частотного спектра S(f) отраженного от вертолета сигнала. На их вторые входы подаются соответственно значения порогов U и U. Причем значение порога U в n раз меньше значения порога U.
ф
ф
1
В каждый k-й дискретный момент времени на выходе первого порогового устройства 2 определяется отсчет F доплеровской частоты (рисунок 2в) спектральной составляющей с максимальной амплитудой А, превысившей первый порог U и соответствующий отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, который подается (рисунок 1) на вход первого фильтра 4 сопровождения. В результате на его выходе формируется оценка  доплеровской частоты, которая поступает на первый вход коммутатора 5.
ф
i
i
2
ф
Одновременно с определением отсчетов F доплеровских частот, соответствующих отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, в каждый k-й дискретный момент времени определяются отсчеты F амплитуд A, превысивших второй порог U и соответствующие отражениям сигнала от лопастей несущего винта вертолета (рисунок 2г), за исключением спектральной составляющей с максимальной амплитудой А и соответствующей отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета.
э
э
В вычислителе 6 (рисунок 1) в соответствии с выражением (1) вычисляется один отсчет F доплеровской частоты (рисунок 2д), соответствующий энергетическому центру отражений сигнала от лопастей несущего винта вертолета, который подается на вход второго фильтра 7 (рисунок 1) сопровождения, где осуществляется фильтрация полученных отсчетов F доплеровских частот, соответствующих энергетическому центру отражений сигнала от лопастей несущего винта вертолета, в результате чего на его выходе формируется оценка  доплеровской частоты по отражениям сигнала от лопастей его несущего винта, которая поступает на второй вход коммутатора 5.
ф
1
i
2
1
На выходе коммутатора 5 при наличии отсчетов F доплеровских частот спектральных составляющих, превысивших первый порог U и соответствующих отражениям сигнала от фюзеляжа вертолета, формируется оценка  доплеровской частоты с выхода первого фильтра 4 сопровождения вертолета по отражениям сигнала от его фюзеляжа, а при наличии отсчетов F доплеровских частот спектральных составляющих, превысивших второй порог U и не превысивших первый порог U - оценка  доплеровской частоты с выхода второго фильтра 7 сопровождения вертолета по отражениям сигнала от лопастей его несущего винта.
Для оценки работоспособности предлагаемого способа были проведены летно-экспериментальные исследования по регистрации на промежуточной частоте с выхода линейной части приемника РЛС с фазированной антенной решеткой, построенной по импульсно-доплеровскому принципу обработки сигналов и работающей в сантиметровом диапазоне волн, радиолокационных сигналов, отраженных практически от всех типов отечественных вертолетов при различном характере их полета (в том числе и в режиме «висение»), и их последующая узкополосная спектральная обработка на основе процедуры БПФ с эквивалентной полосой пропускания одного бина, равной 10 Гц. В результате обработки зарегистрированных реальных радиолокационных сигналов, отраженных от различных типов отечественных вертолетов, установлено, что:
ф
i
2
1
амплитуда спектральной составляющей сигнала, отраженного от фюзеляжа вертолета А в 10-12 раз превышает амплитуды A спектральных составляющих сигнала, отраженного от лопастей несущего винта вертолета, то есть величина порога U должна быть меньше в 10-12 раз величины порога U;
диапазон доплеровских частот, занимаемый отражениями сигнала от лопастей несущего винта вертолета, составляет 8-12 кГц;
э
i
i
численное значение отсчета F доплеровской частоты (рисунок 2д), соответствующий энергетическому центру отражений сигнала от лопастей несущего винта вертолета, вычисляемого в соответствии с выражением (1), отличается на 12-15% от значения отсчета доплеровской частоты, вычисленного в виде математического ожидания отсчетов доплеровских частот амплитуд A, то есть точность оценки доплеровской частоты  выше относительно точности оценки доплеровской частоты, получаемой на основе фильтрации отсчетов доплеровской частоты, соответствующих математическому ожиданию отсчетов доплеровских частот амплитуд A.
Таким образом, применение предлагаемого способа позволит обеспечить бессрывное сопровождение вертолета в импульсно-доплеровской РЛС.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Зингер Р.А. Оценка характеристик оптимального фильтра для слежения за пилотируемой целью // Зарубежная радиоэлектроника. - 1971. - №8. (аналог).
2. Пат. 2419815 Российская Федерация, МПК G01S 13/52 (2006.01). Способ сопровождения воздушной цели из класса «самолет с турбореактивным двигателем» [Текст] / Богданов А.В., Васильев О.В., Исаков И.Н., Ситников А.Г., Филонов А.А.; заявитель и патентообладатель ОАО "ГСКБ "АЛМАЗ-АНТЕЙ" им. АКАДЕМИКА А.А. РАСПЛЕТИНА (RU). - №2009140853/09; заявл. 03.11.2009; опубл. 27.05.2011, Бюл. №15. - 12 с.: ил. (прототип).