Способ определения скорости и направления движения наземных объектов бортовой радиолокационной станцией с антенной решеткой
METHOD FOR DETERMINING THE SPEED AND DIRECTION OF MOVEMENT OF GROUND OBJECTS BY AN ONBOARD RADAR STATION WITH AN ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в бортовых радиолокационных станциях (БРЛС) для определения скорости и направления движения наземных объектов.
Известен «Способ обнаружения наземных движущихся целей бортовой радиолокационной станцией» [RU 2691771, опубл. 18.06.2019, МПК G01S 15/00]. В процессе сканирования в заданном секторе обзора лучом диаграммы направленности антенны (ДНА) на передачу когерентно излучают импульсный сигнал, принимают отраженный от земной поверхности импульсный сигнал двумя независимыми лучами ДНА на прием, разнесенными по азимуту, причем луч ДНА на передачу перекрывает по ширине лучи ДНА на прием. Принятые по каждому лучу ДНА сигналы стробируют по дальности, осуществляют их аналого-цифровое преобразование, когерентно накапливают принятые сигналы во всем секторе обзора, определяют и компенсируют временную задержку между сигналами, принятыми по каждому независимому лучу ДНА, отраженными от одного и того же участка земной поверхности. После завершения накопления сигналов из них формируют два массива отсчетов сигналов, определяют крутизну частотной модуляции накопленных сигналов, а компенсацию временной задержки между отсчетами массивов сигналов осуществляют одновременно с устранением частотной модуляции сигналов, путем их гетеродинирования. Затем преобразуют скомпенсированные массивы сигналов в частотную область, определяют разность фаз между преобразованными в частотную область массивами сигналов для всех частот и стробов дальности, рассчитывают пороговое значение разности фаз по всем отсчетам массивов сигналов, сравнивают значения разности фаз для всех частот и стробов дальности с пороговым значением, при превышении разностью фаз порогового значения фиксируют наличие движущейся цели в отсчете сигнала на соответствующей частоте и в соответствующем стробе дальности.
Недостатком указанного способа является невозможность определения скорости и направления движения обнаруженного движущегося объекта.
1
2
1
2
П
Известен «Способ определения скорости и направления движения наземной цели с помощью РЛС с синтезированием апертуры антенны» [RU 2468384, опубл. 27.11.2012, МПК G01S 13/52]. Способ заключается в формировании трех синтезированных апертур на различной несущей частоте излучения зондирующих импульсов, каждую из которых формируют со своим интервалом синтезирования, приеме отраженных сигналов раздельно по трем каналам, последующей их обработке, в формировании разностных сигналов без предварительного сдвига фаз принимаемых сигналов по соответствующим каналам и определении радиальной скорости движущейся цели. Дополнительно определяют углы наблюдения движущейся цели на земной поверхности θ и θ в моменты времени t и t, соответствующие центрам первого и второго интервалов синтезирования апертуры антенны, а полную скорость V и направление движения наземной цели θп определяют соответственно по формулам:
R1
R2
1
2
1
2
где V и V - векторы радиальных скоростей в моменты времени t и t, соответствующие центрам первого и второго интервалов синтезирования апертуры антенны; θ и θ - углы наблюдения движущейся цели на земной поверхности.
Недостатком указанного способа является низкая точность определения скорости и направления движения наземной цели.
Наиболее близким по технической сущности является способ селекции движущихся целей в радиолокаторе с синтезированной апертурой антенны (РСА) с моноимпульсной антенной, описанный в монографии [«Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли» Учебное пособие для ВУЗов под ред. Г.С. Кондратенкова, М.: Радиотехника, 2005 г. стр. 312-318, рис. 8.10]. В указанном способе БРЛС осуществляет обзор одного и того же участка земной поверхности (телескопический обзор) с излучением импульсного когерентного радиолокационного сигнала двухканальной моноимпульсной антенной и приемом отраженного сигнала. В приемнике БРЛС когерентно накапливают сигналы, принятые по суммарному и разностному каналам моноимпульсной антенны. В блоке цифровой обработки синтезируют апертуру по каждому из накопленных сигналов в виде отсчетов массивов комплексных амплитуд на выходе доплеровских фильтров. Затем из массива комплексных амплитуд суммарного канала поэлементно вычитают массив комплексных амплитуд разностного канала, отсчеты которого домножены на коэффициенты компенсации. Затем осуществляют детектирование (взятие модуля комплексной амплитуды) полученного массива комплексных амплитуд, а затем поэлементное сравнение с пороговым значением. При превышении порога фиксируют наличие движущейся цели.
Недостатком указанного решения является невозможность определения скорости и направления движения обнаруженного движущегося объекта.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретением, является достижение возможности повышения точности определения скорости и направления движения обнаруженного движущегося объекта.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности путем подавления мешающих отражений сигнала.
1
2
1
2
1
2
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что осуществляют телескопический обзор участка земной поверхности, с излучением импульсного когерентного радиолокационного сигнала и приемом отраженных сигналов s(t), s(t) антенной решеткой бортовой радиолокационной станции, когерентно накапливают принятые сигналы s(t), s(t), синтезируют апертуру антенны по каждому из сигналов s(t) и s(t) в виде двух массивов комплексных амплитуд сигналов  и  в координатах i - номер отсчета по азимуту, k - номер отсчета по дальности.
1
2
Новым в заявляемом способе является то, что прием сигналов s(t), s(t) осуществляют соответственно первой и второй подрешеткой антенной решетки со смещенными по азимуту фазовыми центрами бортовой радиолокационной станции, а после синтеза апертур антенны  и   определяют отклонение фазы Δϕ[i, k] сигнала первой синтезированной апертуры , вызванное отражением от неподвижной поверхности земли, компенсируют отклонение фазы Δϕ[i, k] сигнала первой синтезированной апертуры  относительно неподвижной поверхности земли с формированием массива комплексных амплитуд скомпенсированного сигнала  Далее в полученном комплексном сигнале  компенсируют начальную фазу сигнала, вызванную отражением от движущегося объекта, поэлементным вычитанием из скомпенсированного массива  массива комплексных амплитуд второй синтезированной апертуры  и последующим умножением на комплексно-сопряженный сигнал первой синтезированной апертуры антенны  и таким образом, формируют массив комплексных амплитуд скомпенсированного сигнала  по формуле:
k
где  - массив комплексных амплитуд скомпенсированного сигнала,  - массив комплексных амплитуд второй синтезированной апертуры,  - комплексно-сопряженный массив комплексных амплитуд первой синтезированной апертуры, затем формируют массив комплексных амплитуд итогового скомпенсированного сигнала  усреднением по соседним азимутальным элементам массива комплексных амплитуд  Затем рассчитывают пороговое значение по всем отсчетам массива комплексных амплитуд итогового скомпенсированного сигнала  для всех отсчетов итогового скомпенсированного сигнала  сравнивают их действительную часть с пороговым значением. При превышении порога действительной частью отсчета фиксируют наличие движущегося объекта в соответствующем отсчете азимута i и дальности k, определяют наклонную дальность R до движущегося объекта, затем определяют разность фаз сигналов двух подрешеток по формуле:
где  - аргумент соответствующей комплексной амплитуды, и радиальную составляющую скорости движущегося объекта по формуле:
пут
0
Δ0
где λ - длина волны излучаемого сигнала, d - расстояние между фазовыми центрами подрешеток, V - путевая скорость носителя бортовой радиолокационной станции, α - азимут центра зоны обзора, Δϕ[i, k] - разность фаз сигналов двух подрешеток.
0
тан max
0
Затем через интервал времени  где λ - длина волны излучаемого сигнала, d - расстояние между фазовыми центрами подрешеток, R - наклонная дальность до центра зоны, V - максимальная определяемая тангенциальная скорость, аналогичным образом повторяют описанные выше операции и определяют разность фаз  сигналов двух подрешеток, принятых через интервал времени Т,
далее определяют тангенциальную составляющую скорости движущегося объекта по формуле:
рад
0
k
Δ0
0
где v[i, k] - радиальная составляющая скорости, λ - длина волны излучаемого сигнала, d - расстояние между фазовыми центрами подрешеток, α - азимут центра зоны обзора, R - наклонная дальность до движущегося объекта, Δϕ[i, k] - разность фаз сигналов двух подрешеток,  разность фаз сигналов двух подрешеток, принятых через интервал времени Т. И затем по известным радиальной и тангенциальной составляющим скорости определяют скорость движущегося объекта и направление его движения. Скорость движущегося объекта v[i, k] определяют по формуле:
движ
Направление движения объекта α[i, k] определяют по формуле:
тан max
cl
Максимальную определяемую тангенциальную скорость v задают в интервале 40…60 м/с. Прием отраженных сигналов осуществляют подрешетками антенной решетки со смещенными фазовыми центрами на половину диаметра антенной решетки. Отклонение фазы сигнала Δϕ[i, k] первой синтезированной апертуры S[i, к], вызванное отражением от неподвижной поверхности земли определяют по формуле:
k
i
где λ - длина волны излучаемого сигнала, d - расстояние между фазовыми центрами подрешеток, β - угол места ДНА первой подрешетки для k-го отсчета по дальности, α - азимутальное направление ДНА первой подрешетки для i-гo отсчета по азимуту. Отклонение фазы Δϕ[i, k] сигнала первой синтезированной апертуры  вызванное отражением от неподвижной поверхности земли, компенсируют гетеродинированием сигнала  по формуле
п
где i - номер отсчета по азимуту, k - номер отсчета по дальности, j - мнимая единица. Пороговое значение задают как среднее значение действительных частей всех отсчетов скомпенсированного сигнала , умноженного на поправочный коэффициент К, значение которого подбирают при настройке бортовой радиолокационной станции в зависимости от ее реализации и в дальнейшем его не изменяют.
На Фиг. 1 представлена функциональная схема радиолокационной станции, осуществляющей способ.
На Фиг. 2 схематично изображен процесс обзора земной поверхности в процессе синтеза апертуры.
Способ определения скорости и направления движения наземных объектов бортовой радиолокационной станцией с антенной решеткой может быть реализован, например, в импульсно-доплеровской БРЛС в режиме работы воздух-поверхность, состоящей из антенной решетки (1) со смещенными по азимуту фазовыми центрами, передатчика (2), двухканального приемника (3), процессора управления (4), процессора сигналов (5). Первый выход процессора управления (4) соединен с первым входом антенной решетки (1), второй выход процессора управления (4) соединен с входом передатчика (2), выход которого соединен со вторым входом антенной решетки (1). Третий выход процессора управления (4) подключен к третьему входу двухканального приемника (3). Первый выход антенной решетки (1) соединен с первым входом двухканального приемника (3), второй выход антенной решетки (1) соединен со вторым входом двухканального приемника (3). Первый выход двухканального приемника (3) подключен к первому входу процессора сигналов (5), второй выход двухканального приемника (3) подключен ко второму входу процессора сигналов (5). Вход-выход процессора сигналов (5) соединен с входом-выходом процессора управления (4). Выход процессора сигналов (5) является внешним выходом БРЛС.
Способ определения скорости и направления движения наземных объектов бортовой радиолокационной станцией с антенной решеткой работает следующим образом.
0
0
Летчик/оператор БРЛС задает в процессор управления (4) параметры зоны обзора: R - дальность до центра зоны, α - азимут центра зоны. А процессор управления (4) задает параметры управления антенной решетке (1) для телескопического обзора соответствующей зоны обзора. В качестве антенной решетки (1) со смещенными по азимуту фазовыми центрами может использоваться фазированная антенная решетка, состоящая из двух подрешеток, и осуществляющая излучение сигнала диаграммой направленности (ДН) сформированной всей апертурой решетки, а прием двумя независимыми ДН, каждая из которых сформирована отдельной подрешеткой. Величина смещения фазовых центров двух подрешеток определяется характеристиками и параметрами антенной решетки (1), например, может использоваться смещение на половину диаметра антенной решетки (1).
1
2
1
2
1
2
Антенная решетка (1) формирует однолучевую ДН на передачу и излучает, сформированный передатчиком (2), когерентный импульсный радиолокационный сигнал в направлении земной поверхности. В качестве излучаемого сигнала могут использоваться как простые радиоимпульсы, так и сложные модулированные импульсные сигналы - фазокодоманипулированные (ФКМ) или линейно частотно-модулированные (ЛЧМ) и т.д. Первая и вторая подрешетки антенной решетки (1) формируют независимые ДНА на прием и принимают отраженные от земной поверхности сигналы s(t) и s(t). Схематично прием этих сигналов подрешетками антенной решетки (1) в процессе обзора поверхности приведен на Фиг. 2. С первого и второго выходов антенной решетки (1) сигналы s(t) и s(t) от первой и второй подрешеток поступают на первый и второй входы двухканального приемника (3), где по команде с процессора управления (4) запускается аналоговая обработка сигналов s(t) и s(t), например, усиление, фильтрация и т.д., а затем их аналого-цифровое преобразование. Далее полученные отсчеты сигналов  и  в цифровом виде, где n - номер излученного импульса, k - номер отсчета по дальности, когерентно накапливают в процессоре сигналов (5). После завершения накопления сигналов  и  в процессоре сигналов (5) запускается их обработка.
В процессоре сигналов (5) осуществляют синтезирование апертуры антенны по каждому из сигналов  и  В результате синтезирования апертуры антенны формируют два двумерных массива комплексных амплитуд сигналов  и  где i - номер отсчета по азимуту, k - номер отсчета по дальности. Основными операциями синтезирования апертуры антенны являются обработка сигнала согласованным фильтром, весовая обработка сигнала, компенсация квадратичного и линейного фазового набегов вызванного движением носителя бортовой радиолокационной станции, быстрое преобразование Фурье. Подробное описание различных алгоритмов синтезирования апертуры антенны приведено, например, в монографиях [«Многофункциональные радиолокационные системы» под ред. Б.Г. Татарского, М.: Дрофа, 2007 г. стр. 181-190, рис. 7.9, 7.10] и [«Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли» Учебное пособие для ВУЗов под ред. Г.С. Кондратенкова, М.: Радиотехника, 2005 г. стр. 174-195, рис. 6.11].
Следующим этапом обработки сигнала является определение отклонения фазы Δϕ[i, k] сигнала  принятого первой подрешеткой, вызванного отражением сигнала от неподвижной поверхности земли, относительно сигнала  принятого второй подрешеткой. Для этого в процессоре сигналов (5) для каждого отсчета комплексной амплитуды определяют отклонение фазы Δϕ[i, k] по соотношению:
k
i
где λ - длина волны излучаемого сигнала, d - расстояние между фазовыми центрами подрешеток, β - угол места ДН первой подрешетки для k-го отсчета по дальности, α - азимутальное направление ДН первой подрешетки антенной решетки (1) для i-го отсчета по азимуту.
Затем компенсируют отклонение фазы Δϕ[i, k] сигнала  Для этого осуществляют в процессоре сигналов (5) гетеродинирование сигнала  функцией, параметром которой является рассчитанное выше отклонение фазы и таким образом формируют скомпенсированный массив комплексных амплитуд
где i - номер отсчета по азимуту, k - номер отсчета по дальности, j - мнимая единица.
0ДО
Следующим этапом является компенсация начальной фазы ϕ сигнала, отраженного от обнаруживаемого движущегося объекта и принятого первой подрешеткой для каждого отсчета по азимуту и дальности. Для этого в процессоре сигналов (5) осуществляют поэлементное вычитание из скомпенсированного массива комплексных амплитуд  массива комплексных амплитуд второй синтезированной апертуры  с последующим умножением на комплексно-сопряженный сигнал первой синтезированной апертуры антенны  и таким образом формируют массив комплексных амплитуд скомпенсированного сигнала  по формуле:
0ДО
Комплексные амплитуды содержат в себе информацию об амплитуде и фазе сигнала, и таким образом, позволяют произвести компенсацию начальной фазы ϕ сигнала, отраженного от обнаруживаемого движущегося объекта.
ДО
ДО
0ДО
Разность  можно представить в виде амплитуды А до сигнала отраженного от движущегося объекта и суммы фаз δϕ - отклонение фазы, вызванное отражением сигнала от движущегося объекта относительно неподвижной земной поверхности, и ϕ - начальной фазы сигнала, отраженного от обнаруживаемого движущегося объекта.
ф
0ф
Комплексно-сопряженный сигнал можно представить в виде  где А - амплитуда сигнала отраженного от неподвижной поверхности земли (фона), ϕ - начальная фаза сигнала, отраженного от неподвижной поверхности земли (фона).
0ф
После компенсации по формуле (1) итоговый сигнал представляет собой сумму сигнала, отраженного от движущегося объекта  и шумоподобного сигнала  ⋅  из-за случайного характера фазы ϕ.
Шумоподобный сигнал подавляется операцией усреднения, например, с помощью обработки функцией «скользящее окно». Для каждого отсчета комплексного сигнала  по азимуту i вычисляется среднее значение нескольких соседних отсчетов L, например по пяти соседним отсчетам (L=5). Таким образом формирование массива комплексных амплитуд итогового скомпенсированного сигнала  для каждого i-го отсчета может быть реализовано по формуле:
ДО
0
0
П
П
П
Отсчеты полученного скомпенсированного массива комплексных амплитуд сигнала  зависят только от отклонения фазы, вызванного отражением сигнала от движущегося объекта относительно неподвижной земной поверхности δϕ[i, k]. Для определения отсчета сигнала, соответствующего отражению от движущегося объекта, сравнивают действительную часть отсчетов комплексных амплитуд сигнала  с пороговым значением h. Пороговое значение h задают как среднее значение действительных частей всех отсчетов скомпенсированного сигнала, умноженного на поправочный коэффициент К. Значения коэффициента К подбирают при настройке БРЛС в зависимости от реализации антенного, приемо-передающего трактов и т.д., и в дальнейшем не изменяют. Диапазон значений К примем от 2 до 3.
0
П
Для всех отсчетов скомпенсированного сигнала  в процессоре сигналов (5) сравнивают их действительную часть с пороговым значением h, определенным в виде среднего значения действительной части комплексных амплитуд, умноженного на поправочный коэффициент К;
П
где I - общее количество азимутальных отсчетов, полученное при синтезировании апертуры, K - общее количество отсчетов по дальности, полученное в процессе приема сигналов, K - поправочный коэффициент.
0
При превышении порога h действительной частью отсчета скомпенсированного сигнала  фиксируют наличие движущегося объекта в соответствующем отсчете азимута и дальности i, k.
После обнаружения движущегося объекта определяют дальность до него. Это можно сделать пересчетом номера отсчета дальности k по формуле:
0
где R - дальность до центра зоны обзора, ΔR - разрешающая способность БРЛС по дальности, K - общее количество отсчетов по дальности, k - номер отсчета по дальности в котором обнаружен движущийся объект.
Далее определяют разность фаз сигналов двух подрешеток в соответствующем отсчете азимута и дальности i, k по формуле:
где  - аргумент соответствующей комплексной амплитуды.
Затем определяют радиальную составляющую скорости движущегося объекта по формуле:
пут
0
Δ0
где λ - длина волны излучаемого сигнала, d - расстояние между фазовыми центрами подрешеток, V - путевая скорость носителя бортовой радиолокационной станции, α - азимут центра зоны обзора, Δϕ[i, k] - разность фаз сигналов двух подрешеток.
0
Затем через интервал времени Т повторяют описанную процедуру: излучают сигнал в направлении того же участка земной поверхности и принимают отраженные сигналы двумя подрешетками, синтезируют апертуру антенны, компенсируют отклонения фазы, проводят усреднение отсчетов сигнала, проводят обнаружение движущегося объекта, определяют разность фаз сигналов  двух подрешеток в соответствующем отсчете азимута и дальности i, k.
0
Указанный интервал времени Т определяют из неравенства:
0
тан mах
тан max
тан max
0
где λ - длина волны излучаемого сигнала, d - расстояние между фазовыми центрами подрешеток, R - наклонная дальность до центра зоны обзора, v - максимально возможная для определения тангенциальная скорость. Максимальная определяемая скорость v выбирается исходя из характеристик предполагаемых обнаруживаемых движущихся объектов. Так, например, для автотранспорта можно выбрать v≈ 40 м/с (150 км/ч), и в зависимости от других параметров Т составит 20-40 с.
Δ0
Определенные на первом и втором интервалах синтезирования разности фаз сигналов двух подрешеток Δϕ[i, k] и  содержат информацию о радиальной и тангенциальной составляющих скорости движущегося объекта, которые можно выразить следующим образом:
0
k
0
рад
тан
где  разности фаз сигналов двух подрешеток на первом и втором интервалах синтезирования, Т интервал времени между двумя интервалами синтезирования, λ - длина волны излучаемого сигнала, d - расстояние между фазовыми центрами подрешеток, R - наклонная дальность до обнаруженного движущегося объекта, α - азимут центра зоны обзора, v[i, k] - радиальная составляющая скорости движущегося объекта, v[i, k] - тангенциальная составляющая скорости движущегося объекта, v[i, k] - скорость движущегося объекта.
0
k
0
рад
Соответственно, зная разности фаз  параметры зоны обзора α, дальность до движущегося объекта R, длину волны λ, интервал времени Т и радиальную скорость V[i, k] можно определить тангенциальную составляющую скорости по следующему соотношению:
0
k
0
рад
тан
где  разности фаз сигналов двух подрешеток на первом и втором интервалах синтезирования, Т интервал времени между двумя интервалами синтезирования, λ - длина волны излучаемого сигнала, d - расстояние между фазовыми центрами подрешеток, R - наклонная дальность до движущегося объекта, α - азимут центра зоны обзора, v, v - радиальная и тангенциальная скорости объекта.
Вектор скорости складывается из векторов радиальной и тангенциальной составляющих. Таким образом, можно определить скорость движущегося объекта и направление его движения (угол движения). Модуль вектора скорости определяется через его составляющие:
А направление движения через тангенс угла между векторами радиальной и тангенциальной составляющих:
движ
0
0
0
0
Направление движения α[i, k] представляет собой угол между проекцией нормали к антенной решетки на плоскую поверхность земли и вектором скорости. Данные расчеты можно выполнить в процессоре управления (4), осуществив передачу из процессора сигналов (5) рассчитанных значений  и номера отсчета по дальности k, в котором обнаружен движущийся объект. Данные зоны обзора R, α задаются летчиком/оператором, длина волны λ и расстояние между фазовыми центрами подрешеток d являются заранее заданными характеристиками БРЛС, а интервал времени между двумя интервалами синтезирования Т рассчитывается в процессоре управления (4) исходя из дальности зоны обзора R, длины волны λ, расстояния между фазовыми центрами подрешеток d и максимальной закладываемой скоростью обнаруживаемых целей.
движ
Для дальнейшей обработки информации о движущемся объекте угол движения α[i; k] можно пересчитать в необходимую систему координат, зная азимут самолета-носителя БРЛС и угол поворота антенной решетки.
Таким образом, за счет компенсации фазовых отклонений сигнала путем совместной обработки сигналов, принятых двумя подрешетками антенной решетки со смещенными по азимуту фазовыми центрами, на двух интервалах синтезирования осуществляется подавление мешающих отражений, обнаружение движущихся объектов на фоне земной поверхности и последующее определение их скорости и направления движения с высокой точностью.