Способ радиолокационного моноимпульсного измерения дальности и радиальной скорости целей при зондировании сигналом с линейной частотной модуляцией
METHOD FOR RADAR MONOPULSE MEASUREMENT OF RANGE AND RADIAL VELOCITY OF TARGETS WHEN SOUNDING WITH A SIGNAL WITH LINEAR FREQUENCY MODULATION

Изобретение относится к радиолокации и может использоваться в радиолокационных станциях (РЛС) для определения дальности и радиальной скорости целей.
Известен способ (аналог) совместного измерения дальности и скорости целей на основе совместной оценки запаздывания и доплеровского смещения частоты принятого сигнала [Теоретические основы радиолокации. Под ред. В.Е. Дулевича. М.: Сов. радио, 1978. 608 с. С. 250-251.], заключающийся в нахождении значений степени корреляции принятого эхо-сигнала РЛС с множеством опорных сигналов для всех возможных значений задержки (дальности) и доплеровской частоты (скорости). В качестве результирующих оценок дальности и скорости принимаются те, при которых корреляционная функция принимает максимальное значение.
Способ позволяет при использовании сигнала с фазовой кодовой манипуляцией (ФКМ) получать несмещенные оценки дальности и скорости цели при зондировании одиночным импульсом [Радиотехнические системы: учебное пособие для бакалавриата и магистратуры / под ред. М.Ю. Застела. М.: Издательство Юрайт, 2019. 495 с. С. 189-193]. Однако недостаток способа заключается в том, что обработка ФКМ сигнала связана с необходимостью применения широкополосных приемных устройств и высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей, обеспечивающих его усиление на промежуточной частоте и дальнейшую оцифровку сигнала в полосе, равной ширине спектра зондирующего сигнала, которая может достигать десятков и сотен мегагерц, что предъявляет высокие требования к частотным характеристикам элементов тракта промежуточной частоты приемных устройств и производительности устройств цифровой обработки сигналов РЛС.
Известен способ (аналог) совместного определения дальности и скорости цели на основе сигнала с симметричным законом линейной частотной модуляции (ЛЧМ) зондирующего сигнала [Винницкий А.С. Очерк основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн. М.: Сов. радио, 1961. 495 с. С. 184-194]. Способ заключается в зондировании цели непрерывным ЛЧМ сигналом с возрастающей и убывающей частотой в смежных периодах зондирования, приеме отраженных от цели сигналов, их демодуляции, осуществляемой путем перемножения с зондирующим сигналом, с последующим определением в каждом из периодов зондирования частот разностных сигналов на выходе перемножителя и расчетом по их разности значений доплеровской частоты (скорости) и дальности до цели.
Недостаток способа заключается в необходимости проведения нескольких зондирований с разными периодами модуляции для устранения неоднозначностей измерения дальности и скорости при одновременном наблюдении нескольких целей.
Известен способ (прототип) измерения дальности и скорости целей [Винницкий А.С. Очерк основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн. М.: Сов. радио, 1961. 495 с. С. 197], заключающийся в зондировании цели с сигналом с несимметричной ЛЧМ, с последующим приемом эхо-сигнала, его демодуляции, осуществляемой путем перемножения с зондирующим сигналом, определением частоты сигнала биений на выходе перемножителя и расчетом по ее значению дальности до цели.
Недостаток способа заключается в том, что при моноимпульсном методе радиолокации, заключающемся в зондировании цели в течении одного периода модуляции, невозможно одновременное получение несмещенных оценок дальности и скорости цели, что обусловливает их низкую точность, особенно при больших скоростях цели.
Технический результат данного изобретения состоит в повышении точности моноимпульсного измерения дальности и радиальной скорости целей при использовании зондирующего сигнала с линейной частотной модуляцией.
б
Технический результат достигается тем, что в известном способе, заключающемся в зондировании цели сигналом с несимметричной ЛЧМ, приеме эхо-сигнала, его демодуляции, осуществляемой путем перемножения с зондирующим сигналом, определении частоты сигнала биений на выходе перемножителя, дополнительно производят оценку девиации частоты сигнала биений Δƒ, вычисляют по ее значению доплеровскую частоту и
б
скорость цели, осуществляют устранение вторичной ЛЧМ в сигнале биений для чего формируют корректирующий ЛЧМ сигнал с периодом, равным периоду модуляции зондирующего сигнала и девиацией, равной Δƒ/, производят перемножение корректирующего сигнала с сигналом биений, после чего вычисляют преобразование Фурье, определяют частоту основной гармоники спектра и корректируют ее значение с учетом величины доплеровской частоты с последующим вычислением несмещенной оценки измерения дальности до цели.
Сущность способа состоит в следующем. Определение дальности и скорости цели в РЛС с непрерывным излучением основано на анализе частотных параметров сигнала биений (разностной частоты), формируемого путем демодуляции принятого сигнала, осуществляемой перемножением принятого эхо-сигнала с зондирующим сигналом.
Зондирующий ЛЧМ сигнал с несимметричным законом модуляции имеет вид
где  j - мнимая единица;  - амплитуда, начальная частота, скорость изменения частоты ЛЧМ, начальная фаза, ширина спектра и период модуляции зондирующего сигнала соответственно.
Принятый эхо-сигнал представляет собой зондирующий сигнал, задержанный на время .
где  - амплитудой эхо-сигнала, определяемая величиной эффективной
площади рассеяния цели и характеристиками трассы распространения сигнала. Время задержки  определяется дальностью до цели  в соответствии с выражением:  где с - скорость света. Принимая во внимание, что за время наблюдения цели в течение одиночного зондирования ее скорость изменяется незначительно и представляя закон изменения дальности линейной функцией вида  где  - начальная дальность до цели и ее скорость соответственно, то результатом перемножения сигналов (1) и (2) является сигнал биений, нормированное выражение для которого без учета амплитудной составляющей имеет вид
где  - операция комплексного сопряжения;  - начальная фаза;
0
Фазовый компонент Θ представляет собой начальную фазу не зависящую от времени и в дальнейшем может не учитываться. Линейный фазовый компонент  определяет частоту сигнала биений и является информативным параметром для вычисления дальности до цели. Квадратичный фазовый компонент  характеризует девиацию частоты сигнала биений (вторичной ЛЧМ) и обусловлен движением цели в течение отдельного периода модуляции.
Анализ фазового компонента  показывает, что частота сигнала биений определяется дальностью до цели и смещена на величину доплеровской частоты сигнала  определяемой скоростью цели.
Учитывая, что величины  фазовых компонентов  имеют намного меньший порядок по сравнению с другими величинами, а также то, что фазовый компонент  не является информативным, то выражение (3) можно записать как
где
Сигнал (4) представляет собой ЛЧМ колебание с начальной частотой  и девиацией, равной . Тогда получение совместных оценок дальности и скорости сводится к совместной оценке компонентов , которая может быть осуществлена, например, с использованием методов корреляционного или спектрального анализа.
По найденному значению оценки девиации частоты сигнала биений  получают оценку скорости цели в соответствии с выражением
Затем осуществляют устранение девиации (вторичной ЛЧМ) в сигнале биений для чего формируют корректирующий ЛЧМ сигнал в соответствии с выражением
где  - крутизна ЛЧМ корректирующего сигнала.
Перемножение сигнала биений  с корректирующим сигналом  позволяет устранить девиацию частоты (вторичную ЛЧМ) в сигнале биений.
После нахождения спектра полученного сигнала определяют частоту основной гармоники
где  - оператор преобразования Фурье.
И далее на ее основе вычисляют оценку дальности до цели, скорректированную на величину ее смещения, обусловленного наличием доплеровской частоты
где  - оценка доплеровской частоты.
Таким образом, дополнительный анализ параметров девиации частоты сигнала биений позволяет получить совместные несмещенные оценки скорости и дальности до цели, что обеспечивает повышение точности моноимпульсного измерения дальности и радиальной скорости целей при использовании зондирующего сигнала с линейной частотной модуляцией.
Предложенный способ может применяться для однозначного определения дальности и скорости одновременно нескольких целей, находящихся в луче диаграммы направленности РЛС.
Вариант устройства, реализующего предложенный способ, может быть выполнен на основе известных радиотехнических элементов, выпускаемых промышленностью.
Устройство состоит из опорного генератора 1, частотного модулятора 2, передающего устройства 3, передающей антенны 4, приемной антенны 5, приемного устройства 6, набора корреляторов 7, устройства поиска положения максимума 8, вычислителя скорости цели 9, вычислителя дальности цели 10, устройства индикации 12, устройства управления и синхронизации 12. Каждый коррелятор в наборе корреляторов 7 включает в себя формирователь корректирующего сигнала 13, перемножитель 14 и вычислитель спектра 15.
Представленный на фигуре вариант устройства, реализующего предлагаемый способ радиолокационного моноимпульсного измерения дальности и радиальной скорости целей при зондировании сигналом с линейной частотной модуляцией, функционирует следующим образом.
б
Опорный генератор 1 вырабатывает стабильное гармоническое колебание на основе которого формируются несущая частота зондирующего сигнала. Частотный модулятор 2 по сигналу устройства управления и синхронизации 12 формирует зондирующий ЛЧМ сигнал, который после переноса на несущую частоту в передающем устройстве 3 излучается в пространство передающей антенной 4. Приемная антенна 5 принимает отраженный от цели сигнал, который поступает на вход приемного устройства 6, где перемножается с зондирующим, в результате на его выходе формируется сигнал биений S(t), начальная частота которого пропорциональна дальности до цели, а девиация - скорости цели. В связи с тем, что скорость цели и, соответственно, девиация частоты сигнала биений  априорно неизвестны, то их определение осуществляется корреляционным методом с использованием набора корреляторов 7. Количество корреляторов в наборе N определяется требуемой точностью измерения скорости  цели как , где  - максимальная радиальная скорость цели
Формирователь корректирующего сигнала 13 в каждом i-м корреляторе в начале каждого зондирования по сигналу с выхода устройства управления и синхронизации 12 осуществляют формирование ЛЧМ сигнала с различной девиацией
где  - скорость изменения ЛЧМ i-го корректирующего сигнала.
Значения  определяются исходя из диапазона измеряемых скоростей цели как  где
Сигнал с выхода формирователя корректирующего сигнала 13 поступает на вход перемножителя 14, где перемножается с сигналом . Результат перемножения поступает на вычислитель спектра 15. Уровень и ширина спектральной составляющей на его выходе будет иметь максимальную амплитуду и минимальную ширину при совпадении девиаций частоты корректирующего сигнала и сигнала биений. Поэтому для получения оценок  и  полученные спектры с выходов вычислителей спектра 15 каждого из корреляторов поступают на устройство поиска положения максимума 8. На его выходе по значению номера коррелятора имеющего максимальную амплитуду спектральной составляющей формируются оценки  За оценку  принимается значение частоты спектральной составляющей на выходе коррелятора, имеющего максимальный ее уровень, а за оценку  - значение девиации формирователя корректирующего сигнала 13 этого коррелятора. По найденному значению  в вычислителе скорости цели 9 в соответствии с (5) рассчитывают скорость цели . Полученная оценка скорости цели поступает на вычислитель дальности цели 10, в котором в соответствии с (8) рассчитывают величину доплеровского смещения  и дальность до цели
Рассчитанные значения скорости  и дальности цели  поступают на устройство индикации 11 для их дальнейшего отображения.