СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИГНАЛА, ОТРАЖЕННОГО ОТ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ, В РЕЖИМЕ КАРТОГРАФИРОВАНИЯ РЕАЛЬНЫМ ЛУЧОМ
METHOD FOR SIMULATION OF SIGNAL REFLECTED FROM GROUND SURFACE IN REAL BEAM MAPPING MODE

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано при полунатурном моделировании распространения радиоволн в режиме картографирования воздух-поверхность с учетом отражений от земной поверхности.
Известен «Радиолокационный имитатор цели» (RU 2358279 C1, опубл. 10.06.2009 г., МПК G01S 7/40), содержащий модуль сверхвысокой частоты (СВЧ), состоящий из последовательно соединенных устройства автоматической регулировки мощности и импульсного модулятора, последовательно соединенных переключателя уровня мощности и цифрового аттенюатора. Вход устройства автоматической регулировки мощности является входом СВЧ. Кроме того, он содержит линию связи и рупорную антенну, подключенную через линию связи к выходу цифрового аттенюатора, группу ключей, выходы которых подключены к соответствующим входам управления цифровым аттенюатором, первое перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство, разряды выходной шины которого подключены ко входам соответствующих ключей, интерфейс мультиплексной шины, соответствующие выходы которого подключены к адресным входам первого перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства и ко входам управления переключателем уровня мощности и импульсным модулятором, мультиплексную шину управления, соединенную с шинами интерфейса мультиплексной шины, второе перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство, адресные входы которого соединены с адресными входами первого перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства. Кроме того, он содержит в модуле СВЧ группу амплитудных модуляторов, многоотводную линию задержки, СВЧ сумматор и сумматор, причем вход многоотводной линии задержки является входом импульсной модуляции, а выходы соединены со входами сумматора, выход которого соединен со входом импульсного модулятора, выход которого соединен со входами группы амплитудных модуляторов, выходы которых соединены через СВЧ сумматор со входом переключателя уровня мощности, а также группу синтезаторов доплеровских частот, выходы которых соединены с входами группы умножающих цифроаналоговых преобразователей, шины управления которых подключены к выходу второго перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства, а выходы соединены со входами группы амплитудных модуляторов, входы группы синтезаторов доплеровских частот соединены с выходом мультиплексной шины управления, выход интерфейса мультиплексной шины соединен с входами группы амплитудных модуляторов.
Известен также «Способ имитации эхо-сигналов, отраженных от подводного объекта» (RU 1840771, опубл. 27.07.2009 г., МПК G01S 7/52), основанный на приеме зондирующего сигнала и преобразовании его, например, при помощи линий задержки, в ряд сдвинутых по времени «n» сигналов, усилении и суммировании величин сигналов и излучении имитируемого эхо-сигнала. Далее после преобразования принимаемого зондирующего сигнала формируют группы со случайными фазовыми и амплитудными распределениями соответственно величине отраженного сигнала от определенной части поверхности подводной лодки, при этом величины сдвига фаз сигналов внутри групп, временные сдвиги групп между собой и величину усиления сигналов изменяют в зависимости от угла прихода зондирующего сигнала.
Недостатками известных способов являются использование синтеза отраженного сигнала на сверхвысокой частоте и, как следствие, использование дорогостоящего оборудования и специальных условий испытания (отдельный приемопередатчик, рупорные антенны, приемный тракт из состава бортового оборудования, безэховая экранированная камера) для отработки режима картографирования с использованием имитатора. Кроме того, к недостаткам можно отнести значительные искажения формы имитированного сигнала вследствие синтеза отраженного сигнала на основе сигнала, излученного радиолокационным комплексом.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является «Способ имитации радиосигнала, отраженного от пространственно распределенной динамической радиофизической сцены, в реальном времени» (RU 2386143 C1, опубл. 10.04.2010, МПК G01S 7/52). Он заключается в том, что задаются координаты местоположения и параметры движения носителей передающей и приемной радиотехнических систем (РТС), с учетом диаграмм направленности (ДН) антенн определяются границы области взаимодействия радиоизлучения с участком рассеивающей поверхности, которая аппроксимируется элементарными площадками-фацетами, характерные размеры, параметры неровностей и электрические свойства которых определяются исходя из требуемой точности синтеза радиосигнала и свойств фацетной модели полигона, состоящей из слоев рельефа, естественных покровов и искусственных объектов. После чего, с учетом параметров соответствующей модели рассеивания, метеоусловий, рефракции, зон затенения, движения участников сцены, и с последующим вычислением угла падения радиолуча и удельной эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) для каждого фацета, из фацетной модели полигона выбираются фацеты, одновременно видимые с позиции передающей и приемной антенн, причем механизм формирования отраженного радиосигнала представляют как суперпозицию сигналов, рассеянных совокупностью выбранных фацетов-источников парциальных эхо-сигналов вторичных излучений, принимаемых РТС в фиксированные моменты времени, в каждый из которых на приемной антенне одновременно присутствуют парциальные сигналы группы фацетов с разницей задержек распространения, не превышающей половину величины разрешающей способности приемной РТС. Выбранные и упорядоченные по возрастанию квантованных задержек распространения их парциальных сигналов фацеты сортируются по группам одновременно облучаемых фацетов для каждой из сформированных групп фацетов с учетом задержек парциальных сигналов, доплеровских смещений частоты, затуханий, производится расчет комплексных коэффициентов рассеивания и находится их векторная сумма, от которой вычисляется обратное преобразования Фурье. Затем строится последовательность комплексных отсчетов импульсных характеристик групп фацетов, определяющих комплексные отсчеты импульсной характеристики радиофизической сцены, путем их свертки с последовательностью отсчетов излучаемого передающей РТС радиосигнала формируется имитируемый эхо-сигнал и повторяются все описанные выше операции на интервале имитационного моделирования в соответствии с динамикой развития радиофизической сцены.
Недостатками этого способа являются сложность задания параметров фацетной модели, что влечет за собой необходимость длительной предварительной подготовки модели подстилающей поверхности для имитации отраженного сигнала и, как следствие, значительная ресурсоемкость данного метода.
Технический результат предлагаемого «Способа моделирования сигнала, отраженного от земной поверхности, в режиме картографирования реальным лучом» позволяет получать отраженный от земной поверхности сигнал в аналоговой форме на промежуточной частоте в реальном масштабе времени по исходному графическому изображению (группе изображений) земной поверхности и не требует длительной подготовки модели имитируемого сигнала при сохранении степени адекватности имитируемых радиолокационных сигналов.
Сущность «Способа моделирования сигнала, отраженного от земной поверхности, в режиме картографирования реальным лучом» заключается в том, что задают координаты местоположения и параметры движения носителя приемопередающей радиотехнической системы (РТС), с учетом диаграммы направленности (ДН) антенны определяют границы области взаимодействия радиоизлучения с участком подстилающей поверхности, представленной совокупностью элементов разрешения.
Новым в предлагаемом техническом решении является то, что заранее формируют изображение земной поверхности в градациях серого цвета с периодичностью, соответствующей частоте смены изображения, определяемой режимом картографирования, а также сигналы, определяющие навигационные параметры, и управляющие сигналы, формируемые заранее заданным режимом картографирования, в том числе ширину диаграммы направленности антенны по азимуту и углу места, количество каналов (стробов) дальности, положение луча антенны по азимуту и углу места, длительность зондирующего импульса, период его повторения и тип модуляции. Затем в зависимости от полученных параметров производят разбиение изображения земной поверхности для каждого положения луча на элементы разрешения по дальности, характеризующиеся своей величиной амплитуды отраженного сигнала, определенной на основе усредненного цвета по области исходного изображения, соответствующей данному элементу разрешения. Далее осуществляют модуляцию предварительно сгенерированного гармонического сигнала амплитудой отраженного сигнала от каждого элемента разрешения, осуществляют его фазовую модуляцию 13-разрядным  кодом Баркера и на основе полученного сигнала осуществляют формирование его синфазной и квадратурной составляющих, преобразование его на промежуточную частоту и цифроаналоговое преобразование, затем повторяют последовательность действий для каждого положения луча в рамках зоны обзора.
На фиг.1 изображен пример структурной схемы имитатора сигнала, отраженного от земной поверхности, в режиме картографирования реальным лучом, реализующего предлагаемый способ.
Имитатор сигнала, отраженного от земной поверхности, в режиме картографирования реальным лучом, состоит из преобразователя исходного изображения в элементы разрешения 1, вычислителя амплитудной модуляции для всех элементов разрешения по дальности 2, синтезатора частот 3, фазового модулятора «Баркер 1×13» 4, формирователя синфазной и квадратурной составляющих комплексной огибающей 5, преобразователя сигнала на промежуточную частоту 6, цифроаналогового преобразователя 7 и усилителя промежуточной частоты 8.
Способ моделирования сигнала, отраженного от земной поверхности, в режиме картографирования реальным лучом, осуществляется следующим образом:
1. Подготовить ряд исходных изображений земной поверхности в градациях серого цвета.
2. Задать навигационные параметры движения носителя.
3. Осуществить передачу на вход имитатора сигнала навигационных параметров носителя с частотой работы БРЛС, а также исходных изображений подстилающей поверхности с частотой, соответствующей частоте смены изображения для проверяемого режима картографирования.
4. Осуществить передачу на вход имитатора сигнала параметров сканирования, формируемых в рамках проверяемого режима картографирования каждый такт работы БРЛС.
5. Определить границы области взаимодействия диаграммы направленности антенны с подстилающей поверхностью для данной угловой позиции на основании переданных навигационных параметров носителя и параметров сканирования.
6. На основании определенной зоны обзора осуществить разбиение соответствующей части исходного изображения на элементы разрешения с учетом количества каналов (стробов) дальности, положений луча по азимуту, а также шага сканирования по азимуту, определяемых в рамках проверяемого режима картографирования.
7. Определить амплитуду для каждого элемента разрешения на основе усредненного цвета по области исходного изображения, соответствующей данному элементу разрешения.
8. Для всей области взаимодействия ДН антенны с подстилающей поверхностью произвести амплитудную модуляцию предварительно сгенерированного гармонического сигнала нулевой частоты уровнями сигнала, соответствующими отражениям от каждого элемента разрешения по дальности в рамках данного положения луча.
9. Подвергнуть сигнал фазовой модуляции с использованием кода Баркера 1×13.
10. Осуществить формирование синфазной и квадратурной составляющих сигнала.
11. Преобразовать сигнал на промежуточную частоту.
12. На основе полученного сигнала с помощью цифроаналогового преобразователя сформировать аналоговый сигнал на промежуточной частоте.
13. Усилить аналоговый сигнал на промежуточной частоте.
14. Повторить последовательность действий (пункты 5-13) для каждого положения луча в рамках зоны обзора.
Вариантом использования сгенерированного сигнала может служить передача его с выхода имитатора на вход АЦП вычислителя. В рамках вычислителя этот сигнал преобразуется в цифровой вид и подвергается обработке в рамках режима картографирования.