СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ ОБЪЕКТА (ВАРИАНТЫ)
MEASUREMENT METHOD OF OBJECT ANGULAR COORDINATES (VERSIONS)

Предлагаемое техническое решение относится к области радиолокации и может быть использовано для измерения угловых координат объектов в процессе обзора пространства радиолокационной станцией (РЛС).
Известен способ измерения угловой координаты объекта в процессе обзора пространства радиолокационной станцией, включающий излучение зондирующих и прием отраженных от объекта сигналов с помощью антенны с диаграммой направленности антенны (ДНА), главный луч которой имеет известную ширину по каждой угловой координате, обнаружение отраженных от объекта сигналов, формирование углового пакета обнаруженных сигналов, в пределах упомянутого пакета измерение и запоминание значений амплитуд обнаруженных сигналов и угловых координат луча, соответствующих обнаруженным сигналам. При этом угловая координата объекта θ оценивается, исходя из максимума функции правдоподобия, в соответствии с известной формулой (Самсоненко С.В. Цифровые методы оптимальной обработки радиолокационных сигналов. Военное издательство Министерства обороны СССР. - М., 1968, стр.254-258)
где i и n - номер и количество положений луча соответственно в угловом пакете обнаруженных сигналов по измеряемой угловой координате объекта θ;
i
i
K и K′ - отношение сигнал/шум и его производная по угловой координате θ соответственно для i-го (i=1, …, n) сигнала углового пакета обнаруженных сигналов;
i
ρ - амплитуда i-го сигнала пакета обнаруженных сигналов, нормированная к среднеквадратическому значению шумов приемного тракта.
Условие (1) многократно проверяется для различных возможных положений объекта по измеряемой угловой координате. Значение угловой координаты θ в момент выполнения условия (1) принимается за угловую координату объекта.
Поясним понятие «двумерный угловой пакет обнаруженных сигналов».
В процессе обзора пространства сигналы, отраженные от объекта и принятые приемником РЛС, сравниваются с порогом обнаружения. В результате для каждой дискреты дальности, в каждом положении луча антенны в плоскости угол места (ε) - азимут (β) на выходе порогового устройства присутствует сигнал (сигнал обнаружен), если он превышает уровень порога, сигнал на выходе порогового устройства отсутствует (пропуск обнаружения сигнала), если принятый сигнал ниже уровня порога. Обнаруженные сигналы образуют угловой пакет, если в плоскости ε-β нет положений луча с пропусками сигналов одновременно по обеим угловым координатам (Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации. М., «Советское радио», 1974, стр.30, рис.1.7). На фиг.1 приведены примеры двумерных угловых пакетов обнаруженных сигналов, отличающиеся размерами и конфигурацией. Положения луча, в которых произошло обнаружение, показаны серым цветом, в положениях луча, обозначенных белым цветом, обнаружений нет. Изображены три вида пакетов: из одного, двух и пяти положений луча.
В известном техническом решении при определении угловой координаты объекта многократно проверяется условие (1), поэтому для измерения угловой координаты объекта требуется достаточно большое время. Поскольку в мобильных РЛС существует острый дефицит временных ресурсов, то время, которое может быть выделено на измерение угловых координат объекта, весьма ограничено, вследствие чего условие (1) не может быть выполнено достаточно строго, и точности измерения угловых координат в таких РЛС оказываются низкими.
ij
i
j
mm
Наиболее близкий способ измерения угловых координат объекта (угла места ε и азимута β) в процессе осмотра пространства радиолокационной станцией (патент РФ №2235342) включает излучение зондирующих и прием отраженных от объекта сигналов с помощью антенны с ДНА, главный луч которой имеет известную ширину по каждой угловой координате, обнаружение отраженных от объекта сигналов, формирование двумерного углового пакета обнаруженных сигналов, имеющих порядковый номер i по углу места (i-я строка) и j по азимуту (j-й столбец), в пределах упомянутого пакета измерение и запоминание значений амплитуд обнаруженных сигналов ρ, нормированных к среднеквадратическому значению собственных шумов приемного тракта РЛС и соответствующих обнаруженным сигналам угловых координат луча (ε,β), нормированных к ширине луча ДНА по соответствующей координате, выбор обнаруженного сигнала с максимальной амплитудой ρ.
В наиболее близком способе угловые координаты объекта определяются в результате однократного вычисления, но на основании информации, полученной только из строки и столбца двумерного углового пакета обнаруженных сигналов, содержащих сигнал с максимальной амплитудой. Информация остальных сигналов упомянутого пакета не используется, поэтому достигаемая в наиболее близком способе точность измерения угловых координат оказывается ниже потенциально возможной. Это является недостатком наиболее близкого способа.
Решаемой задачей (техническим результатом), таким образом, является повышение точности измерения угловых координат объекта.
ij
i
j
mm
i
Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения угловых координат объекта (угла места ε и азимута β) в процессе осмотра пространства радиолокационной станцией, включающем излучение зондирующих и прием отраженных от объекта сигналов с помощью антенны с ДНА, главный луч которой имеет известную ширину по каждой координате, обнаружение отраженных от объекта сигналов, формирование двумерного углового пакета обнаруженных сигналов, имеющих порядковый номер i по углу места (i-я строка) и j по азимуту (j-й столбец), в пределах упомянутого пакета измерение и запоминание значений амплитуд обнаруженных сигналов ρ, нормированных к среднеквадратическому значению собственных шумов РЛС и соответствующих обнаруженным сигналам угловых координат луча (ε,β), нормированных к ширине луча ДНА по соответствующей координате, выбор сигнала с максимальной амплитудой ρ согласно изобретению для каждой i-й строки и для каждого j-го столбца двумерного углового пакета обнаруженных сигналов определяют соответственно оценки азимута  и угла места  объекта, нормированные к ширине луча по соответствующей координате, для каждого сигнала двумерного углового пакета обнаруженных сигналов определяют уровень ДНА по углу места  в точке с координатой  при положении максимума луча в точке с координатой ε и уровень ДНА по азимуту  в точке с координатой  при положении максимума луча в точке с координатой
j
β, после чего угловые координаты объекта оценивают по формуле:
11
причем, при оценивании угла места объекта (θ=ε) величину L вычисляют при k=1, n=1 по формуле
k=0,1, 2, 3, n=0, 1,
11
а при оценивании азимута объекта (θ=β) величину L вычисляют при k=1, n=1 по формуле
k=0, 1, 2, 3, n=0, 1,
при этом суммирование ведется по фактически обнаруженным сигналам в двумерном угловом пакете,
где  - значение ДНА по углу места в точке, соответствующей координате  при положении максимума луча в положении
i
ε;
- значение ДНА по азимуту в точке, соответствующей координате  при положении максимума луча в положении
j
β;
- знак
Указанный технический результат достигается также тем, что:
- для оценки угла места объекта  в j-м столбце двумерного углового пакета обнаруженных сигналов в этом столбце выбирают два сигнала: сигнал с максимальной амплитудой и соседний с ним сигнал наибольшей амплитуды, при этом угол места  объекта оценивают по формуле
,
для оценки азимута объекта  в i-й строке двумерного углового пакета обнаруженных сигналов в этой строке выбирают два сигнала: сигнал с максимальной амплитудой и соседний с ним сигнал наибольшей амплитуды, при этом азимут объекта  оценивают по формуле
,
mj
m±1j
где ρ, ρ - максимальная амплитуда сигнала в j-м столбце и наибольшая по величине амплитуда соседнего сигнала из этого столбца;
im
im±1
ρ, ρ - максимальная амплитуда сигнала в i-й строке и наибольшая по величине амплитуда соседнего сигнала из этой строки;
mj
m±1j
mj
m±1j
ε, ε - координаты положений луча по углу места в j-м столбце, при которых принимаются сигналы с амплитудами ρ и ρ соответственно;
im
im±1
im
im±1
β, β - координаты положений луча по азимуту в i-й строке, при которых принимаются сигналы с амплитудами ρ и ρ соответственно;
mm
m±1m
- для оценки угла места объекта  в j-м столбце двумерного углового пакета обнаруженных сигналов в двумерном угловом пакете обнаруженных сигналов выбирают сигнал с максимальной амплитудой ρ и соседний с ним сигнал наибольшей амплитуды ρ из того же столбца, при этом угол места объекта  оценивают по формуле
,
mm
m±1m
mm
m±1m
mm
mm±1
где ε, ε - координаты луча по углу места в m-м столбце, при которых принимаются сигналы с амплитудами ρ и ρ соответственно, для оценки азимута объекта  в i-й строке двумерного углового пакета обнаруженных сигналов в двумерном угловом пакете обнаруженных сигналов выбирают сигнал с максимальной амплитудой ρ и соседний с ним сигнал наибольшей амплитуды ρ из той же строки, при этом азимут объекта  оценивают по формуле
,
mm
mm±1
mm
mm±1
где β, β - координаты луча по азимуту в m-й строке, при которых принимаются сигналы с амплитудами ρ и ρ соответственно;
- оценки угла места и азимута объекта во всех столбцах двумерного углового пакета обнаруженных сигналов принимаются одинаковыми и равными соответственно углу места и азимуту положения луча с сигналом максимальной амплитуды, т.е. , .
ij
i
j
mm
i
Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения угловых координат объекта (угла места ε и азимута β) в процессе осмотра пространства радиолокационной станцией, включающем излучение зондирующих и прием отраженных от объекта сигналов с помощью антенны с ДНА, главный луч которой имеет известную ширину по каждой координате, обнаружение отраженных от объекта сигналов, формирование двумерного углового пакета обнаруженных сигналов, имеющих порядковый номер i по углу места (i-я строка) и j по азимуту (j-й столбец), в пределах упомянутого пакета измерение и запоминание значений амплитуд обнаруженных сигналов ρ, нормированных к среднеквадратическому значению собственных шумов РЛС и соответствующих обнаруженным сигналам угловых координат луча (ε,β), нормированных к ширине луча ДНА по соответствующей координате, выбор сигнала с максимальной амплитудой ρ согласно изобретению для каждой i-й строки и для каждого j-го столбца двумерного углового пакета обнаруженных сигналов определяют соответственно оценки азимута  и угла места  объекта, нормированные к ширине луча по соответствующей координате, для каждого сигнала двумерного углового пакета обнаруженных сигналов определяют уровень ДНА по углу места  в точке с координатой  при положении максимума луча в точке с координатой ε и уровень ДНА по азимуту  в точке с координатой  при положении максимума луча в точке с координатой
j
ij
β, для каждого сигнала двумерного углового пакета обнаруженных сигналов определяют также величину В, пропорциональную мощности обнаруженных сигналов, после чего угловые координаты объекта оценивают по формуле
при этом суммирование ведется по фактически обнаруженным сигналам в двумерном угловом пакете.
Указанный технический результат достигается также тем, что:
- для оценки угла места объекта  в j-м столбце двумерного углового пакета обнаруженных сигналов в этом столбце выбирают два сигнала: сигнал с максимальной амплитудой и соседний с ним сигнал наибольшей амплитуды, при этом угол места объекта  оценивают по формуле
,
для оценки азимута объекта  в i-й строке двумерного углового пакета обнаруженных сигналов в этой строке выбирают два сигнала: сигнал с максимальной амплитудой и соседний с ним сигнал наибольшей амплитуды, при этом азимут объекта  оценивают по формуле
,
mj
m±1j
где ρ, ρ - максимальная амплитуда сигнала в j-м столбце и наибольшая по величине амплитуда соседнего сигнала из этого столбца;
im
im±1
ρ, ρ - максимальная амплитуда сигнала в i-й строке и наибольшая по величине амплитуда соседнего сигнала из этой строки;
mj
m±1j
mj
m±1j
ε, ε - координаты положений луча по углу места в j-м столбце, при которых принимаются сигналы с амплитудами ρ и ρ соответственно;
im
im±1
im
im±1
β, β - координаты положений луча по азимуту в i-й строке, при которых принимаются сигналы с амплитудами ρ и ρ соответственно;
mm
m±1m
- для оценки угла места объекта  в j-м столбце двумерного углового пакета обнаруженных сигналов в двумерном угловом пакете обнаруженных сигналов выбирают сигнал с максимальной амплитудой ρ и соседний с ним сигнал наибольшей амплитуды ρ из того же столбца, при этом угол места объекта  оценивают по формуле
,
mm
m±1m
mm
m±1m
mm
mm±1
где ε, ε - координаты луча по углу места в m-м столбце, при которых принимаются сигналы с амплитудами ρ и ρ соответственно, для оценки азимута объекта  в i-й строке двумерного углового пакета обнаруженных сигналов в двумерном угловом пакете обнаруженных сигналов выбирают сигнал с максимальной амплитудой ρ и соседний с ним сигнал наибольшей амплитуды ρ из той же строки, при этом азимут объекта  оценивают по формуле
,
mm
mm±1
mm
mm±1
где β, β - координаты луча по азимуту в m-й строке, при которых принимаются сигналы с амплитудами ρ и ρ соответственно;
- оценки угла места объекта во всех столбцах и оценки азимута объекта во всех строках двумерного углового пакета обнаруженных сигналов принимают одинаковыми и равными соответственно углу места и азимуту положения луча с сигналом максимальной амплитуды, т.е. , ;
ij
- величину В, пропорциональную мощности обнаруженных сигналов, принимают равной ,
где  - уровень ДНА по углу места в точке с координатой  при положении максимума луча в точке с координатой
i
ε;
- уровень ДНА по азимуту в точке с координатой  при положении максимума луча в точке с координатой
j
β;
ij
- величину В, пропорциональную мощности обнаруженных сигналов, принимают равной ,
где  - уровень ДНА по углу места в точке с координатой  при положении максимума луча в точке с координатой
i
ε;
- уровень ДНА по азимуту в точке с координатой  при положении максимума луча в точке с координатой
j
β;
- уровень ДНА по углу места  и уровень ДНА по азимуту  для каждого сигнала двумерного углового пакета обнаруженных сигналов принимают равными единице;
ij
- величину В, пропорциональную мощности обнаруженных сигналов, принимают равной ;
ij
- величину В, пропорциональную мощности обнаруженных сигналов, принимают равной ;
ij
ij
- величину В, пропорциональную мощности обнаруженных сигналов, принимают равной В=1.
Поясним суть заявляемого способа.
Заявляемый способ предназначен для измерения угловых координат объектов, отраженные сигналы от которых являются быстро флюктуирующими, т.е. амплитуды принимаемых сигналов от сигнала к сигналу изменяются значительно. К таким объектам относятся объекты сложной формы, например самолеты.
Как уже отмечалось, в наиболее близком техническом решении при определении угловых координат объекта используются сигналы строки и столбца двумерного углового пакета обнаруженных сигналов, содержащие положение луча с максимальной амплитудой сигнала в пакете. Информация других строк и столбцов углового пакета не используется. Поскольку сигналы, отраженные от объекта, принимаемые при различных положениях луча, флюктуируют, то наиболее точными угловыми координатами объекта являются угловые координаты, определенные исходя из всего двумерного углового пакета обнаруженных сигналов, что и осуществляется в заявляемом техническом решении.
Известно (Кисляков В.И., Лужных С.Н., Прудников С.Я. Оценка угловых координат объекта по двумерному пакету быстро флюктуирующих импульсов. // «Вопросы радиоэлектроники», сер. РЛТ, 2007, вып.1, стр.72), что угловые координаты объекта ε, β для быстро флюктуирующих сигналов могут быть определены по данным всего двумерного углового пакета обнаруженных сигналов из системы уравнений
Суммирование в (4) ведется по фактически обнаруженным сигналам в пакете, количество которых в угломестных столбцах и азимутальных строках может быть разным.
Решение системы (4) дает два варианта способа определения угловых координат объекта: наиболее точный (независимый пункт 1 формулы изобретения), соответствующий решению системы (4) в виде выражения (2), и менее точный (независимый пункт 5 формулы изобретения), соответствующий решению системы (4) в виде выражения (3).
Наиболее точный вариант способа необходимо использовать в РЛС с наиболее высокими инструментальными точностями управления лучом антенны. В РЛС, в которых указанные инструментальные точности невелики, требования к точности способа измерения угловых координат объекта могут быть несколько снижены. В этом случае целесообразно применять более простой, и следовательно, менее точный способ определения координат объекта.
Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.
Фиг.1 - примеры двумерных угловых пакетов обнаруженных сигналов.
Фиг.2 - блок-схема РЛС, реализующей заявляемый способ.
п
п
п
п
Заявляемый способ измерения угловых координат объекта реализуется с помощью радиолокационной станции, которая содержит (фиг.2) передатчик 1, антенный переключатель 2, антенну 3, приемник 4, пороговое устройство 5, синхронизатор 6, блок оценки угловых координат 7, при этом выход передатчика 1 соединен со входом антенного переключателя 2, вход/выход которого соединен с антенной 3, выход антенного переключателя 2 соединен со входом приемника 4, выход которого соединен со входом порогового устройства 5, выход порогового устройства 5 и координатный выход антенны 3 соединены соответственно с первым и вторым входами блока оценки угловых координат 7, первый и второй выходы синхронизатора 6 соединены с синхровходами передатчика 1 и блока оценки угловых координат 7 соответственно, блок оценки угловых координат 7 включает запоминающее устройство обнаруженных сигналов 8, блок формирования угловых пакетов 9 и вычислитель 10, причем первый и второй входы запоминающего устройства обнаруженных сигналов 8 являются первым и вторым входами блока оценки угловых координат 7 соответственно, М выходов запоминающего устройства обнаруженных сигналов 8 соединены с М входами блока формирования угловых пакетов 9, М выходов которого соединены с М входами вычислителя 10, выход которого является выходом блока оценки угловых координат 7 и выходом РЛС.
п
п
п
Количество выходов запоминающего устройства обнаруженных сигналов 8, входов и выходов блока формирования угловых пакетов 9 и входов вычислителя 10, т.е. значение М, определяются наибольшим количеством сигналов, обнаруженных в окрестности объекта, и наибольшей возможной величиной двумерного углового пакета обнаруженных сигналов по обеим угловым координатам, сформированного по обнаруженным сигналам. Как правило, количество сигналов, обнаруженных в окрестности объекта, больше, чем количество пакетов, сформированных по ним, однако наибольшие значения этих величин, по которым определяется количество входов и выходов, совпадают. Величина М для конкретных параметров РЛС (шага перемещения луча при обзоре пространства, мощности зондирующего сигнала, типа обнаруживаемых объектов) может быть определена заранее. Так, например, известно, что в РЛС средней дальности действия для шага перемещения луча антенны порядка 0.5 ширины луча антенны при обнаружении крупных летательных аппаратов формируется двумерный угловой пакет сигналов не более чем из 5 положений луча. Отсюда следует, что значение М равно 5.
Радиолокационная станция может быть выполнена с использованием следующих функциональных элементов.
Передатчик 1 - импульсного типа (Справочник по основам радиолокационной техники. - М., 1967, с.278).
Антенный переключатель 2 - выполнен на циркуляторе (Справочник по основам радиолокационной техники. - М., 1967, с.146-147).
Антенна 3 - фазированная антенная решетка с электронным сканированием по одной или обеим угловым координатам и с круговым механическим вращением (Справочник по радиолокации. Под ред. М.Сколника, т.2, - М.: «Сов. радио», 1977, с.132-138).
Приемник 4 - супергетеродинного типа (Справочник по основам радиолокационной техники. - М., 1967, с.343-344).
Запоминающее устройство обнаруженных сигналов 8 - запоминающее устройство (Интегральные микросхемы. Справочник под ред. Т.В.Тарабрина, - М.: «Радио и связь», 1984).
Блок формирования угловых пакетов 9 - вычислитель, реализующий операцию объединения обнаруженных сигналов в двумерный угловой пакет в соответствии с принятым критерием. Критерием объединения обнаруженных сигналов в двумерный угловой пакет может быть, например, следующий: обнаруженный сигнал включается в двумерный угловой пакет, если выполняется условие
где Δε, Δβ - угловое расстояние соответственно по углу места и азимуту, от анализируемого сигнала до ближайшего сигнала пакета;
ε
β
Δ, Δ - шаг перемещения луча по углу места и азимуту соответственно при обзоре пространства.
Вычислитель 10 - вычислитель, реализующий операцию вычисления угловых координат объекта в соответствии с формулой (2) или (3).
i,j
i
j
Работа РЛС, реализующей заявляемый способ измерения угловых координат объекта, происходит следующим образом. В передатчике 1 по командам синхронизатора 6 (импульсам синхронизации) формируются зондирующие сигналы, которые в процессе обзора пространства с помощью антенны 3 излучаются в пространство. Отраженные от объекта сигналы принимаются антенной 3, поступают в приемник 4. С выхода приемника 4 сигналы поступают на вход порогового устройства 5, где сравниваются с порогом, который задается исходя из допустимой вероятности ложных тревог. Сигналы, уровень которых превышает пороговый, проходят на выход порогового устройства 5. Обнаруженные сигналы с выхода порогового устройства 5 и сигналы, пропорциональные угловым координатам луча антенны 3, поступают в блок оценки угловых координат 7. Значения амплитуд обнаруженных сигналов ρ с соответствующими угловыми координатами луча (ε,β) по мере движения луча антенны при обзоре пространства записываются в запоминающее устройство обнаруженных сигналов 8 и хранятся там. По командам с синхронизатора 6 из запоминающего устройства обнаруженных сигналов 8 извлекаются записанные в них данные и подаются в блок формирования угловых пакетов 9, где осуществляется формирование двумерных угловых пакетов обнаруженных сигналов в соответствии с выбранным критерием (5). Координаты положений луча, которые вошли в состав двумерного углового пакета, и соответствующие им уровни сигналов подаются на вход вычислителя 10, где в соответствии с формулой (2) или (3) вычисляются угловые координаты объекта.
Таким образом, в РЛС, реализующей заявляемый способ, точность измерения угловых координат объекта обеспечивается большая, чем в наиболее близком способе, то есть достигается заявляемый технический результат.