Способ оценки радиальной скорости объекта
METHOD OF ESTIMATING RADIAL VELOCITY OF AN OBJECT

1 Область техники, к которой относится изобретение
Предлагаемое изобретение относится к области радиолокации, в частности, к способам оценки радиальной скорости объектов вдоль оси X перпендикулярной траектории полета носителя радиолокатора бокового обзора (РЛ БО) - оси Y. Оценка осуществляется по радиолокационным изображениям (РЛИ) местности, формируемым в РЛ БО при проведении зондирования земной и водной поверхности с применением синтезированных антенных решеток (САР).
В настоящее время все большее применение находят радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА) и, в частности, радиолокаторы бокового обзора (РЛ БО). Осуществлена достаточно полная разработка теории применения синтезированных антенных решеток (САР) и созданы реальные РСА с высокими характеристиками, которые используются для мониторинга местности, трубопроводов, разведки ледовой обстановки, обнаружения объектов, пожаров, других чрезвычайных ситуаций и пр.
Однако некоторые задачи РСА остаются трудно реализуемыми, и характеристики РСА не отвечают практическим требованиям. К таким задачам, в частности, относится обнаружение движущихся объектов и оценка их скорости.
2 Уровень техники
В качестве аналогов предлагаемого способа оценки скорости лоцируемого объекта можно рассматривать способы селекции движущихся целей (СДЦ), их обнаружения и оценивания скорости, рассмотренные в книге Г.С. Кондратенкова и А.Ю. Фролова «Радиовидение», Москва, издательство «Радиотехника», 2005 г. с. 302-330.
В этой книге рассмотрен способ селекции и измерения скорости движущихся целей в системах с остановленным фазовым центром (книга «Радиовидение», Г.С. Кондратенков, А.Ю. Фролов, Москва, издательство «Радиотехника», 2005 г. с. 309-312). Способ основан на использовании трех приемных каналов, антенны которых разнесены вдоль траектории полета носителя. При этом расстояние между фазовыми центрами приемных антенн этих каналов и скорость носителя РСА согласованы таким образом, что за период зондирования фазовые центры сместятся точно на расстояние между двумя антеннами. В этом случае одни антенны займут в пространстве положения других, а расстояние от них до цели не изменится. Поэтому, применив, например, вычитание принятых сигналов этих каналов, добиваются компенсации сигналов от неподвижных объектов. Оценка скорости объекта зависит от наличия остатков сигналов от неподвижных целей, шумов и разрешения по частоте.
Из основных недостатков указанного способа можно отметить наличие «слепых скоростей», подавление сигналов от объектов с малой радиальной скоростью, неоднозначность измерения «азимут - радиальная скорость» и пр. Для устранения неоднозначности необходимо введение дополнительного канала.
Другим аналогом может служить способ СДЦ и измерения скорости в РСА с моноимпульсной антенной, рассмотренный в той же книге «Радиовидение» (с. 312-318). Основан способ на вводе второго канала и формировании равносигнального направления (РСН). При этом сигналы от неподвижных объектов, находящиеся на РСН, компенсируются, а от движущихся объектов, даже при совпадении доплеровских частот у неподвижных и движущихся объектов, не компенсируются, так как при этом сигналы от движущихся объектов имеют углы прихода по азимуту, отличные от РСН. Имея достаточно высокую эффективность подавления сигналов фона, способ не работает при малых радиальных скоростях объектов и при наличии только двух каналов (суммарного и разностного) не позволяет однозначно измерить радиальную скорость и азимут движущейся цели (там же, с. 318).
нос_у
дц
цr
ц
н
н
За прототип принят способ селекции движущихся целей и оценки их радиальной скорости путем доплеровской фильтрации сигналов, рассмотренный в той же книге «Радиовидение» (с. 304-309). Для этого с помощью РЛ БО с синтезированной апертурой лоцируют полосу местности вдоль ось Y, формируют и запоминают комплексные огибающие входных сигналов (радиоголограммы), формируют исходное радиолокационное изображение (РЛИ), используя обработку траекторного сигнала (там же, с. 137), согласованную со скоростью носителя V и с неподвижными местностью и объектами на ней. Для выделения движущихся объектов используют различие допплеровских частот движущихся и неподвижных объектов. Сигналы неподвижных объектов отфильтровывают, а сигналы от движущихся объектов селектируют (выделяют) в системе обработки траекторных сигналов (там же, с. 306). При упрощенной согласованной обработке это осуществляют за счет частотной фильтрации. Движущаяся цель обнаруживается по превышению порога в доплеровском фильтре, настроенном на частоту сигнала цели. При этом обеспечивается оценка доплеровской частоты f. Для определения радиальной скорости цели V необходимо дополнительно измерить (любым способом) направление прихода сигнала (азимут цели) β относительно направления оси диаграммы направленности антенны РСА θ. Угол θ отсчитывается относительно направления вектора скорости носителя РСА V и считается известным. Имея оценки азимута и доплеровской частоты, можно определить радиальную скорость цели (там же, стр. 308)
н
где λ - длина волны РСА. В частном случае для РЛ БО θ=90 град.
Из недостатков прототипа, кроме необходимости измерения азимута цели для однозначной оценки ее радиальной скорости, следует отметить также зависимость ошибки определения скорости от ошибок определения азимута, возможность перепутывания при определении движущихся и неподвижных целей, в частности при значительном превышении сигналом от неподвижного объекта сигнала фона, неэффективность способа при малых скоростях целей и т.д.
Технический результат при применении предлагаемого способа заключается в обеспечении получения оценок радиальной скорости лоцируемых РЛ БО объектов, не зависящих от значений этих скоростей и от знания азимутов самих объектов и, как следствие, не требующий формирования дополнительных антенных каналов.
3 Раскрытие изобретения
об_х
нос_у
Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что используют известный способ оценки радиальной скорости движущегося объекта V направленной вдоль оси X перпендикулярной оси Y, совпадающей с траекторией полета носителя радиолокатора бокового обзора (РЛ БО) с синтезированной апертурой, при котором с помощью РЛ БО лоцируют полосу местности вдоль оси Y, формируют и запоминают радиоголограммы, формируют исходное радиолокационное изображение (РЛИ) при согласовании обработки со скоростью носителя V и с неподвижными местностью и объектами на ней, обнаруживают на нем объекты и измеряют их радиальную скорость, отличающийся тем, что для всех i-ых обнаруженных объектов, для которых требуются оценки их радиальной скорости,
0_обi
0
обi
- определяют их положение Х и Y_ на исходном РЛИ,
r_min
r
max
- задают минимальную V и максимальную V_ радиальные скорости объектов, определяющие диапазон ее измерения,
- определяют интервал однозначной оценки радиальной скорости ΔV,
- разбивают диапазон измеряемых радиальных скоростей на интервалы однозначного определения радиальной скорости
нос_х_1
нос_х_2
и для каждого интервала, используя радиоголограммы, формируют два фрагмента РЛИ, при синтезировании которых вводят два разных смещения значений радиальной скорости носителя по оси X V и V на величину, лежащую в пределах интервала однозначности ΔV,
нач_1i
нач_2i
кон_1i
кон_2i
0_обi
r_min
r
max
нос_х_1
нос_х_2
при этом начало Y и Y и окончание Y и Y синтезирования каждого фрагмента РЛИ для i-го объекта по оси Y определяют, учитывая смещение Y при наличии скорости объекта в диапазоне от V до V_ и из-за ввода V и V,
max_1i
max_1i
max
2i
max
2i
oб_12i
для каждого интервала однозначности устанавливают соответствие объектов двух РЛИ между собой, для каждого i-го объекта определяют его положение X и Y на первом и X_ и Y_ на втором РЛИ и находят смещение ΔX как разность его координат по оси X на двух РЛИ
об_12i
max_1i
max_2i
ΔX=X-X
и далее оценивают их радиальную скорость по формуле:
синт
где D - интервал синтезирования РЛИ.
нач_1i
нач_2i
0_обi
При этом начало формирования каждого фрагмента РЛИ для i-го объекта Y и Y по оси Y выбирают смещенным относительно Y, так что
где λ - длина волны излучаемого сигнала РЛ БО, k - константа,
кон_1i
кон
2i
0_обi
а окончание формирования каждого фрагмента РЛИ для i-го объекта Y и Y_ определяют смещенным по оси Y относительно Y, так что
При этом, исходя из требуемой полноты отображения РЛИ лоцируемого объекта на формируемом фрагменте РЛИ, k выбирают более 0.5.
i
Для каждого интервала однозначности соответствие РЛИ объектов на двух фрагментах РЛИ одному объекту предпочтительней устанавливать путем проверки их совмещения по оси Y при смещении первого РЛИ относительно второго по оси Y на величину ΔY, определяемую выражением
об_12i
max_1i
max_2i
При определении ΔХ для каждого i-го объекта определяют его положение X на первом и X на втором РЛИ фрагмента как максимум сечения РЛИ объекта по оси X, соответствующего центру этого РЛИ объекта по оси Y.
Для поддержания точности оценки радиальной скорости независимо от ее значения интервал однозначного определения скорости определяют, исходя из выражения
max
где R - удаление дальней границы синтезированного РЛИ от траектории полета носителя.
При этом, исходя из практической реализации способа, целесообразно, когда смещения скорости носителя при формировании двух РЛИ для каждого интервала соответствуют граничным значениям скоростей этого интервала и для смежных интервалов эти РЛИ являются общими, а исходное РЛИ используют как одно из граничных РЛИ.
нач
1i
нач_2i
кон_1i
кон
2i
Также, исходя из упрощения практической реализации способа, начало и окончание формирования РЛИ для всех объектов одного интервала выбирают едиными, при том, что начало равно минимальному из Y_ и Y, а окончание равно максимальному значению из Y и Y_ для всех i.
Таким образом, предлагаемый способ оценивания радиальной скорости объекта в РЛ БО, основанный на построении двух (или более) РЛИ при введении смещения (ошибки) в значение вектора скорости носителя РЛ БО, не требует введения дополнительных антенн и угловых каналов. Кроме того, точность оценивания скорости определяется точностью оценивания смещения двух изображений объекта на разных РЛИ, а это не зависит от значения самой скорости и определяется разрешающей способностью и шагом вычисления РЛИ. Поэтому инструментальная точность измерения радиальной скорости объекта может быть очень высокой, что подтверждается результатами математического моделирования, приведенными ниже.
4 Перечень чертежей
нос_х1
Фиг. 1 отображает РЛИ (отклики) первого (справа) и второго (слева) объектов, а Фиг. 2 - третьего (справа) и четвертого (слева) объектов, полученных при нулевом значении смещения радиальной скорости носителя, т.е. при V=0.
нос_x2
Фиг. 3 и Фиг. 4, - демонстрируют соответствующие отклики, рассчитанные при наличии смещения V=5 м/с,
нос_x3
Фиг. 5 и Фиг. 6 - соответствуют откликам при V=10 м/с.
Фиг. 7 отражает расширение отклика при больших различиях скоростей объекта и носителя.
5 Осуществление изобретения
об_x
Основу предлагаемого способа измерения радиальной (относительно траектории полета носителя РЛ БО) скорости лоцируемого объекта V составляет смещение РЛИ этого объекта, имеющего радиальную скорость, при его формировании без учета этой скорости.
В соответствии со статьей Брызгалова А.П. «Влияние скорости объекта на его радиолокационное изображение, формируемое в радиолокаторе бокового обзора с синтезированной апертурой», опубликованной в журнале «Цифровая обработка сигналов» №2 за 2017 г., этот сдвиг по оси X (нормальной к траектории полета носителя) определяется выражением
Это смещение РЛИ по оси X (с учетом перемещения лоцируемого объекта и носителя по оси X за время полета носителя по оси Y при формировании фрагмента РЛИ для i-го объекта, а также с учетом смещений РЛИ по оси Y из-за неучитываемых при обработке радиальных скоростей) используется в предлагаемом способе для технической реализации оценки радиальной скорости лоцируемого РЛ БО объекта.
Осуществление способа и его возможности могут быть пояснены на примере формирования РЛИ при применении в РСА корреляционно-фильтровой согласованной обработки (см. статью Брызгалова А.П, Карауловой Е.В., Хныкина А.В. «Аналого-цифровая обработка информации в радиолокаторах с синтезированной апертурой, использующих сверхширокополосные сигналы с линейной частотной модуляцией.», опубликованной в журнале «Цифровая обработка сигналов» №4 за 2004 г. ). В этом случае принятый входной сигнал умножают на опорный сигнал гетеродина, который согласован с сигналом, сформированным в передатчике, и настроен на определенные параметры этого сигнала, связанные с прохождением сигналом тракта его распространения, что определяется взаимным пространственным положением летательного аппарата (ЛА) - носителя РСА и лоцируемого участка и их взаимными скоростями. В частности, сигнал гетеродина может быть настроен на прием сигнала, отраженного от некоторой выбранной точки на местности.
r
r
При умножении образуют два квадратурных канала. В каждом квадратурном канале сигналы оцифровывают и затем обрабатывают в N каналах дальности. Каждый канал дальности настроен на определенную точку на местности. Для этого сигнал после умножителя обрабатывают в N каналах дальности с учетом отличия параметров сигнала каждого канала (задержки и коэффициента временной трансформации р=1-2 V/c, где V - радиальная составляющая скорости носителя РСА относительно лоцируемой точки, с - скорость света) от параметров сигнала гетеродина (см. указанную выше статью, формулы (10)-(19)]. При этом формируют N выборок выходного сигнала приемника для задаваемых точек местности, формируя тем самым РЛИ лоцируемой местности.
r
нос_у
r
нос_х
При формировании исходного РЛИ полагают, что наличие и значение скорости V обусловлено только скоростью носителя V, ее проекцией на линию носитель - объект. Для оценки радиальной скорости объекта дополнительно формируют РЛИ при вводе в V дополнительной (ошибочной) радиальной составляющей скорости носителя V.
нос_у
10
10
20
30
40
20
30
40
2_x
3_x
4_x
синт
Модель приведенной выше обработки использовалась для подтверждения работоспособности предлагаемого способа. Было проведено моделирование обработки сигналов от четырех точечных отражателей с формированием откликов (РЛИ) от каждого из них. Движение носителя РЛ БО осуществлялось вдоль оси Y со скоростью V=100 м/с. Первый отражатель был выбран неподвижным с координатами Х=10000 м и Y=0. Второй, третий и четвертый отражатели имели одинаковое нулевое начальное положение на оси Y, т.е. Y=Y=Y=0, и слегка сдвинуты относительно первого и друг друга по оси X: Х=9999 м, Х=9998 м и Х=9997 м. Кроме того, отражатели 2…4 двигались по оси X, т.е. в радиальном к траектории полета носителя направлении: V=3 м/с, V=5 м/с и V=7 м/с. Интервал синтезирования изображения D=1000 м. При этом, так как использовался сигнал с линейной частотной модуляцией с девиацией 200 МГц, то разрешение по дальности было высоким (порядка 1 м).
нос_х1
нос_х2
нос_х3
Результаты обработки, представленные для наглядности не яркостными РЛИ, а в виде трехмерных откликов, показаны на Фиг. 1-6. При этом Фиг. 1 отображает отклики первого (справа) и второго (слева) объектов, а Фиг. 2 - третьего (справа) и четвертого (слева) объектов, полученных при нулевом значении смещения радиальной скорости носителя, т.е. при V=0. Следующая пара рисунков: Фиг. 3 и Фиг. 4, - демонстрируют соответствующие отклики, рассчитанные при наличии смещения V=5 м/с, а Фиг. 5 и Фиг. 6 - при V=10 м/с.
j_x
нос_xi
нос_х1
3_x
нос_х2
max_2
max_2
max_3
max_3
max_4
max_4
p
p
p
нос_х3
Как видно из рисунков, в соответствии с указанной ранее статьей Брызгалова А.П. «Влияние скорости объекта на его РЛИ…» движение объекта в радиальном к траектории носителя РЛ БО направлении приводит к смещению и искажению его отклика на синтезированном РЛИ. Идеальный соответствующий теории отклик, расположенный точно в точке нахождения объекта на момент начала синтезирования, образуется в случае равенства скорости объекта V и смещения скорости носителя V (см. правый отклик на Фиг. 1 - РЛИ неподвижного объекта, полученное для V=0, - и правый отклик на Фиг. 4 - РЛИ третьего объекта с V=5 м/с при V=5 м/с). Остальные отклики сдвинуты по обеим осям, причем в большей степени по оси Y. Так, например, на Фиг. 1 и 2 отклик второго объекта расположен в точке с координатами X=10019,2 м, Y=-300,4 м, третьего - X=10046,4 м, Y=-501,6 м и четвертого - X=10057,8 м, Y=-702,4 м. Кроме того, при превышении разницы между скоростью объекта и смещением скорости носителя ΔV некоторого интервала однозначного определения скорости , наблюдается снижение амплитуды отклика и расширение его основного лепестка. Это объясняется отсутствием при обработке, согласованной с лоцированием неподвижного объекта, радиальных скоростей выше ΔV. Для рассматриваемого случая ΔV=5 м/с. При этом максимум отклика остается достаточно отчетливо выражен даже при ΔV=7 м/с. И только при ΔV=10 м/с (правый отклик на Фиг. 5 - РЛИ неподвижного объекта при V=10 м/с) появляется заметное расщепление главного лепестка, затрудняющее нахождение его положения.
Если теперь воспользоваться приведенным в п. 1 формулы изобретения соотношением и оценить скорости объектов, то получим следующие результаты:
нос_х1
нос_х2
max_11
max
11
max_21
max
21
нач_11
нач_21
0
об1
нос_у
синт
об_x1
для 1-го объекта, используя РЛИ, рассчитанные при V=0 и V=5 м/с (Фиг. 1 и Фиг. 3), имеем: X=10000 м, Y_=0, X=9971,4 м, Y_=500,6 м, Y=-320 м, Y=180 м, Х_=10000 м, V=100 м/с и D=1000 м, отсюда V=0,014 м/с,
oб_х2
для 2-го объекта, используя те же РЛИ, что и для первого, имеем V=3,021 м/с,
нос_х1
нос_x2
oб_x3
для 3-го объекта, используя опять же РЛИ, рассчитанные при V и V (Фиг. 2 и Фиг. 4), имеем V=4,996 м/с,
нос_xi
для 4-го объекта, используя попарно РЛИ, рассчитанные для всех трех V (Фиг. 2, Фиг. 4 и Фиг. 6), получаем:
oб_x4_1
нос
x1
нос_х3
V=7,013 м/с (РЛИ при V_ и V),
oб_x4
2
нос_х1
нос_х2
V_=7,011 м/с (РЛИ при V и V),
oб_x4
3
нос_x2
нос_х3
V_=7,014 м/с (РЛИ при V и V).
Таким образом, все оценки радиальной скорости объектов с высокой точностью соответствуют истинным скоростям.
max_1i
max
2i
об_12i
max_1i
max_2i
При этом инструментальная точность оценки радиальной скорости достаточно высокая, так как в соответствии с выражением для этой оценки она определяется в основном точностью определения двух параметров X и X_. Остальные параметры, входящие в эту формулу или задаются, или имеют малое влияние на оценку скорости. На практике оценка параметров может быть затруднена за счет протяженности лоцируемого объекта, наложения фона, шумов и пр. Однако для уменьшения влияния этих и других факторов на нахождение ΔХ=X-X можно использовать специальные обработки, например, изложенную ниже.
об_x
нос_х
max
Следует также отметить, что значение измеряемой скорости не влияет на точность ее оценки. Однако для оценки больших значений радиальной скорости объекта надо увеличивать и смещение радиальной скорости носителя так, чтобы их разность не превышала ΔV. Для подтверждения этого была проведена оценка радиальной скорости объекта, движущегося с V=30 м/с. Для этого были промоделированы две обработки по формированию РЛИ объекта при двух значениях смещения радиальной скорости носителя: 30 м/с и 35 м/с. При использовании этих РЛИ в соответствии с формулой изобретения, оценка скорости объекта составила 29,8754 м/с, т.е. точность оценки достаточно высокая, а погрешность в основном связана с оценкой положения отклика по оси X. На Фиг. 7 приведено РЛИ для рассмотренного случая при V=35 м/с. РЛИ объекта расширилось. Но это расширение происходит по оси Y, и для нахождения X можно, например, определять максимум сечения отклика по X, соответствующего центру этого отклика по оси Y.
1_x
2_x
3_x
4_x
Пример с измерением радиальной скорости в 30 м/с подтверждает возможность использования граничных РЛИ, рассчитанных с шагом равным интервалу однозначности (п.п. 6, 7 формулы), а пример с 4-мя объектами при V=0, V=3 м/с, V=5 м/с и V=7 м/с (фиг. 1-6) соответствует п. 8 при использовании двух РЛИ для измерения скоростей всех объектов, входящих в один интервал однозначности.