Способ измерения углового положения наземных неподвижных радиоконтрастных объектов
METHOD OF MEASURING THE ANGULAR POSITION OF TERRESTRIAL FIXED RADIO-CONTRAST OBJECTS

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для повышения точности измерения угловых координат малоразмерных наземных радиоконтрастных целей.
Известны различные способы, обеспечивающие оценку угловых координат наземных стационарных целей. Наиболее простой из них - способ, заключающийся в сканировании антенны радиолокационной системы (РЛС) узким лучом ее диаграммы направленности (ДНА) заданного углового сектора и фиксации уровня отраженных сигналов приемным устройством РЛС с отображением интенсивности отраженных сигналов на индикаторе (формирование радиолокационного изображения (РЛИ) окружающего пространства в сектора обзора). При наличии в зоне обзора радиоконтрастной цели и попадании ее в луч ДНА индикатор фиксирует наличие цели (формирует отметку цели) и ее угловое положение по максимальному уровню принятого сигнала, соответствующему угловому положению максимума диаграммы направленности. Этот способ получил название «метод максимума» и описан, например в [П.А. Бакулев. Радиолокационные системы. Учебник для вузов - М.: Радиотехника, 2004].
Для повышения точности измерения угловых координат объектов используют моноимпульсный метод, суть которого состоит в сравнении параметров сигналов, принятых суммарной и разностными ДНА, формируемыми на единой апертуре антенны [Леонов А.И., Фомичев К.И., Моноимпульсная радиолокация, Москва, Радио и связь, 1984]. При этом угловое положение объекта определяется по положению так называемого равносигнального направления (РСН) - направления, соответствующего положению оптической оси антенны при одинаковом уровне принимаемых сигналов лучами разностной диаграммы.
Известный способ реализуется устройством (патент №2287839, Россия), которое содержит два приемных тракта, каждый из которых содержит последовательно включенную приемную антенну, усилитель высокой частоты, делитель мощности, один из выходов которого соединен с частотомером, а другие выходы с последовательно соединенными амплитудными детекторами, видеоусилителями и аналого-цифровыми преобразователями (АЦП), выходы усилительных трактов и частотомера подключены к вычислителю. Нормированное отношение разности принятых сигналов, с учетом частоты принятого сигнала, определяет пеленг цели.
Техническим результатом изобретения является повышение точности оценки угловых координат неземных малоразмерных целей, что позволит решить различные функциональные задачи, связанные с прицеливанием по обнаруженным целям, их сопровождением при маневрах носителя РЛС и т.д.
В предлагаемом способе измерение угловых координат наблюдаемых объектов осуществляется моноимпульсным методом, но в отличие от известных необходимая двухлепестковая диаграмма направленности антенны формируется за счет последовательного во времени установления синтезированной ДНА в два пространственных положения, при которых синтезированные диаграммы пересекаются на уровне 0,6-0,8 от максимального значения. Луч, проходящий через фазовый центр антенны и точку пересечения синтезированных диаграмм, определяет РСН, относительно которого обеспечивается определение углового положения цели (объекта).
Поставленная задача решаются тем, что осуществляется излучение и прием зондирующего сигнала в пределах диаграммы направленности антенны РЛС и его запоминание в течение определенного времени накопления; производится сжатие сигнала и стробирование по каналам дальности; в каждом из каналов дальности проводится доплеровская фильтрация запомненного сигнала, реализуемая алгоритмами спектрального анализа, в пределах времени накопления с вычислением амплитудного спектра; осуществляется поиск номеров каналов дальности и доплеровских фильтров, в которых значение амплитуды выходного сигнала фильтра превышает определенное пороговое значение (обнаружение целей); для каждой из обнаруженных целей определяется номер вспомогательного фильтра с наибольшим значением выходного сигнала из двух соседних с фильтром, значение амплитуды выходного сигнала которого превышает пороговое; по номерам каналов дальности и доплеровских фильтров рассчитываются грубые угловые положения обнаруженных целей; для каждой из обнаруженных целей формируются линейные комбинации значений выходных сигналов фильтров, содержащих сигнал от целей, и вспомогательных фильтров; на основании сформированных линейных комбинаций рассчитываются поправки к угловым положениям целей для каждой из целей; оценивается уточненное значение угловых положений целей как сумма грубых оценок угловых положений и угловых поправок.
В заявленном изобретении повышение точности оценки угловых координат цели обеспечивается за счет синтезирования апертуры антенны с дальнейшим уточнением углового положения цели за счет обработки, аналогичной обработке сигналов в амплитудных суммарно-разностных моноимпульсных пеленгаторах, позволяющей сформировать угловую поправку, которая рассчитывается на основе амплитуд выходных сигналов доплеровских фильтров, оцениваемых в процессе синтезирования апертуры.
Известно, что отклик радиолокационной системы с синтезированием апертуры антенны на входной сигнал одиночной точечной цели, иногда называют синтезированной диаграммой направленности (СДН) [Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны / В.Н. Антипов, В.Т. Горяинов, А.Н. Кулин, и др.; Под ред. В.Т. Горяинова. - М.: Радио и связь, 1988, стр. 17]. Таким образом, можно применить моноимпульсный подход к выходным сигналам доплеровских фильтров. Поскольку при формировании РЛИ оцениваются только амплитуды сигналов доплеровских фильтров, то целесообразно использовать подходы, реализуемые в амплитудных моноимпульсных системах. Наиболее часто используются амплитудные суммарно-разностные системы моноимпульсные системы. В подобных системах направление на цель отсчитывается относительно равносигнального направления (РСН), положение которого считается заранее известным. Для расчета поправки относительно РСН осуществляется оценка амплитуд сигналов с двух антенн, диаграммы направленности которых пересекаются по выбранному уровню, и после этого формируются их линейные комбинации (сумма и разность), а затем и отношение разности амплитуд к их сумме. Это отношение далее умножается на крутизну пеленгационной характеристики (которая определяется параметрами антенной системы РЛС и считается известной). Результат умножения есть модуль величины поправки. Кроме этого, анализируя разность амплитуд, оценивается знак поправки (плюс или минус). После оценки модуля и разности поправки она добавляется к углу ориентации РСН.
Исследования показали, что повышение точности определения углового положения наземных целей, достигается примерно в 10-20 раз по сравнению с оценками, формируемыми без использования заявленных алгоритмов уточнения.
Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 иллюстрируется положение двух СДН, на фиг. 2 показана исходная ситуация, на фиг. 3 - пояснения к моноимпульсному способу оценки углового положения цели, на фиг. 4 - пояснения к заявленному способу уточнения углового положения цели.
На фиг. 1 представлено изображение, поясняющее процесс образования равносигнального направления (РСН) путем пересечения двух ДН синтезированных апертур искусственной антенны при последовательном их формировании во времени и удовлетворяющих двум пространственным положениям (1 и 2), при которых обеспечивается смещение максимумов диаграмм, равное 2Δ.
ц
0
н
н
На фиг. 2 обозначено: ЦК - центр кадра, формируемого на носителе РЛС (радиолокационного изображения), ТЦ - точечная цель, угловое положение которой необходимо оценить, Θ - истинное угловое положение точечной цели, которое подлежит оцениванию, Θ - ширина диаграммы направленности антенны, Θ - угловое направление на центр кадра, R -дальность до центра кадра.
ц
н
1
2
1
2
1
2
На фиг. 3 введены следующие обозначения. Θ - истинное угловое положение цели, Θ - угловое положение равносигнального направления (РСН),  - оценка угловой поправки, J, J - амплитуды выходных сигналов с 1 и 2 доплеровских фильтров соответственно, f, f - частоты настройки доплеровских фильтров, Θ, Θ - соответствующие им угловые направления.
н
1
2
Угловое положение РСН Θ считается известным. На основе амплитуд выходных сигналов антенн J, J угловая поправка  рассчитывается по следующему правилу: .
Знак разности амплитуд указывает на знак поправки. Для формирования оценки углового положения  к угловому положению РСН добавляется оцененное значение поправки
н
H
n
n
n
пор
ц
ц
Фиг. 4 поясняет заявленный способ оценки углового положения цели. Здесь Θ - угловое положение максимума ДН реальной антенны, соответствующее центру формируемого кадра РЛИ, f - доплеровская частота сигнала, соответствующая максимуму ДНА, , V - скорость полета носителя РЛС, λ - длина волны зондирующего сигнала РЛС, f - частоты настройки фильтров доплеровской селекции, Θ - соответствующие им угловые положения , J - значения амплитуд выходных сигналов доплеровской селекции, J - пороговое значение амплитуды, Θ - истинное угловое положение цели, f - истинная частота сигнала цели .
После формирования массива амплитуд выходных сигналов фильтров доплеровской селекции J во всех каналах дальности осуществляется пороговая обработка, которая заключается в сравнении значения амплитуды сигнала на выходе фильтра с пороговым значением Jпор. Фильтр, выходной сигнал которого превысил порог (Jn), содержит в себе основную часть сигнала от цели, поскольку имеет ближайшую к истинной частоте сигнала опорную частоту. После этого определяется номер соседнего фильтра, имеющего максимальную амплитуду (вспомогательный фильтр). В данном случае этот фильтр расположен слева и имеет номер (n-1). Используя номера основного и вспомогательного фильтра рассчитывается грубое угловое положение цели .
Σ
n
n-1
Δ
n
n-1
ПХ
Н
Расчет угловой поправки осуществляется следующим образом. После определения номеров основного и вспомогательного фильтров формируются линейные комбинации амплитуд их выходных сигналов - J=J+J, J=J-J. Затем рассчитывается оценка угловой поправка, уточняющая угловое положение цели, - , где К - крутизна пеленгационной характеристики, определяемая следующим образом:  - угловая разрешающая способность РЛС при накоплении сигнала в течение времени синтезирования Т, ΔJ - разница амплитуд выходных сигналов при нахождении цели на краях доплеровских фильтров, которая определяется экспериментальным путем. Для получения окончательной оценки углового положения цели рассчитанная угловая поправка  добавляется к грубой оценке угловой координаты цели .
CA
Реализация данного способа высокоточного измерения углового положения стационарных наземных точечных целей возможна при использовании когерентной РЛС с режимом синтезирования апертуры искусственной антенны при последовательном во времени формировании двух ДН синтезированных апертур, максимумы которых смещены друг относительно друга на величину, не превышающую значение ширины диаграммы θ синтезированной апертуры. Смещение синтезированных ДН обеспечивается путем формирования опорных функций с требуемыми параметрами при обработке траекторного сигнала в системе обработки РЛС в течение времени синтезирования. Процесс обработки также включает сжатие сигнала и стробирование по каналам дальности с последующим проведением спектрального анализа запомненного сигнала в каждом из каналов дальности и вычислением амплитудного спектра, определение номеров каналов дальности и доплеровских фильтров, в которых уровень выходного сигнала превысил установленный порог, вычисление грубых значений  угловых координат обнаруженных целей, формирование суммы и разности значений выходных сигналов основных и вспомогательных фильтров, вычисление поправки  к угловым координатам целей (для каждой из целей) и определение их точного углового положения.