РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ ПЕЛЕНГАТОР ЛОКАЛИЗОВАННЫХ ОБЪЕКТОВ
RADAR DIRECTION FINDER OF LOCALISED OBJECTS

Изобретение относится к ближней локации и может быть использовано в информационно-измерительных средствах и системах, работающих в режимах активной пеленгации локализованных объектов, на фоне распределенных в пространстве помех.
Существующие в настоящее время автономные информационные системы (АИС) (акустические с широкополосными сигналами и радиолокационные системы миллиметрового диапазона длин волн) не позволяют пеленговать объекты, находящиеся за преградами на фоне распределенных в пространстве помех на малых расстояниях. Также возникает проблема формирования узких диаграмм направленности приемо-передающих трактов в ближней зоне.
Аналогом предлагаемого устройства является пеленгатор широкополосных сигналов с временной взаимокорреляционной обработкой сигналов Автономные информационные и управляющие системы (см. [1] Труды кафедры «Автономные информационные и управляющие системы» МГТУ им. Н.Э. Баумана / под ред. А.Б. Борзова. М.: ООО НИЦ« Инженер», ООО «Онико-М», 2011. Т. 4, стр. 216), содержащий приемные антенны; фильтры; усилители; компараторы; аналоговые ключи; сумматоры; интеграторы; детектор; схемы «И», «ИЛИ», «НЕ».
В пеленгаторе реализуются функциональные односторонние преобразования сигналов вида:
выраженные через знаковые функции
Недостатком данного устройства является невозможность проведения используемых логических операций для сверхширокополосных сигналов субнаносекундного диапазона локаторов с сверхкороткими импульсами (СКИ).
Наиболее близким по технической сущности к разрабатываемому устройству является радиолокационный пеленгатор локализованных объектов, содержащий передатчик, антенну в виде однополосного волнового моноимпульсного облучателя, приемник, регистратор (см. Коваленко Н.А. Методы подповерхностной радиолокации для обнаружения людей за непрозрачными средами, ж. Восточно-Европейский журнал передовых технологий, 2011, выпуск 9, т. 3 стр. 49-55).
Недостатком данного устройства является невозможность формирования узких диаграмм направленности приемо-передающего радиолокационного тракта, низкая точность пеленгации локализованного малоконтрастного объекта на фоне распределенной помехи и невозможность запреградного действия, которое может быть реализовано в субнаносекундном диапазоне СКИ.
Задачей изобретения является повышение точности пеленгации локализованного слабоконтрастного объекта на фоне распределенной в пространстве помехи и обеспечение запреградного действия по локализованному объекту. Для реализации поставленной задачи в предлагаемом радиолокационном пеленгаторе локализованных объектов, содержащем излучатель, передающую антенну, приемную антенну, приемный модуль, исполнительное устройство, введены вторая приемная антенна, второй приемный модуль и коррелятор для оценки взаимно корреляционной функции, при этом обе приемные антенны выполнены сверхширокополосными, вторая приемная антенна выполнена подвижной относительно первой и расположена на расстоянии от нее
0
где d - расстояние между приемными антеннами, λ=0,18 м - средняя длина волны, а излучатель выполнен в виде генератора сверхкороткого импульсного излучения.
Изобретение поясняется чертежом, где изображены:
- на фиг. 1 - функциональная схема двухканального радиолокационного пеленгатора,
- на фиг. 2 - форма излучаемого импульса в излучателе сверхкоротких импульсов - распределение амплитуды излучаемого сверхкороткого импульса с формой 1-й производной функции Гаусса,
- на фиг. 3 - спектр периодической последовательности сверхкоротких импульсов,
1
2
- на фиг. 4 - схема, поясняющая работу приемной части двухканального пеленгатора, где d - расстояние между фазовыми центрами приемных антенн A и А,  - реализации сигналов на входах тракта обработки сигналов.
- на фиг. 5 - нормированная диаграмма направленности двухканального пеленгатора.
Радиолокационный пеленгатор локализованных объектов (фиг. 1) содержит передающую антенну 1, приемные антенны 2.1 и 2.2, излучатель 3 сверхкороткого импульсного излучения, выполненного на радиолокационном приемопередатчике ИС «Импульс», интегрированном на одном кристалле, приемные модули 4.1 и 4.2, блок 5 корреляционной обработки, исполнительное устройство 6.
Излучатель 3 генерирует сверхкороткий импульс наносекундного диапазона, который поступает на передающую антенну 1. Антенна 1, расположенная на границе раздела двух сред, зондирует подповерхностный объект. Зондирующие сигналы, облучающие объект, отражаются обратно им и поступают на приемные антенны 2.1 и 2.2. Далее сигналы от обеих антенн поступают в приемные модули 4.1 и 4.2, где регистрируется результирующий сигнал: исследуемый и помехи.
и
0
H
B
0
В двухканальном пеленгаторе используется излучатель сверхкороткого импульсного (СКИ) минирадара типа «Минирадар-МСР», выполненного на радиолокационном приемопередатчике ИС «Импульс», интегрированном на одном кристалле. Сверхширокая полоса частот передаваемых импульсов дает уникальные способности по прохождению через препятствия и высокую точность. На один метр дистанции время распространения сигнала (до цели и обратно) составляет примерно 6,6 наносекунд. «Минирадар-МСР» использует сверхкороткие импульсы с формой 1-й производной функции Гаусса (фиг. 1) и длительностью менее 1 нс в частотном диапазоне от 0,5 до 3 ГГц. Это позволяет ему достигать высокого пространственного разрешения с возможностью работы как на коротких, так и на больших расстояниях. Для рассматриваемой периодической с периодом Т=50 МГц последовательности СКИ импульсов (фиг. 3) центральная частота спектра составляет f=1,6 ГГц, полоса по уровню -20 дБ Δf=1,6 ГГц (f=0,8 ГГц, f=2,4 ГГц), относительная ширина полосы  средняя длина волны λ=0,18 м. В системах с двухэлементной антенной (фиг. 4) с широкополосными сигналами на входе возможно формирование диаграммы направленности (ДН) [1].
и
На основании того, что излучается периодическая последовательность импульсов с периодом Т, описываемых нечетной функцией (фиг. 2), реализацию изучаемого сигнала можно записать:
k
k
0
k
где: X -амплитуда; ω - частота гармоники; ω - центральная частота; Δω - шаг по частоте, определяемый периодом повторения импульсов ; y - фаза k-ой гармоники; k=0, ±1; ±2……±m; 2m - количество гармоник в практической полосе зондирующего сигнала; t- текущее время.
На основании принятых допущений, сигналы  и  на выходах антенн от i-го точечного элементарного отражателя при соотнесении фронта волны к середине раскрыва (фиг. 4) в комплексной форме могут быть представлены в виде:
<mrow><msubsup><mi>V</mi><mi>k</mi><mi>c</mi></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>α</mi><mrow><mi>k</mi><mi>i</mi></mrow><mi>c</mi></msubsup></mrow>
k
где: ;  - длина волны электромагнитных колебаний; d - расстояние между приемными антеннами (фиг. 2); k=0, ±1; ±2……±m;
- амплитуда;
- случайные начальные фазы на частоте ω от i-го точечного отражателя, определяемые дальностью до отражателя. Считая элементарные точечные источники независимыми, результирующий сигнал на выходах антенн может быть записан в виде:
где индексы k характеризуют частоты координатных функций, а индексы i - номера элементарных точечных источников сигнала.
Для распределенной в пространстве помехи, представленной точечными элементарными отражателями, выражения для  и  будут аналогичны равенствам (3).
Считая сигналы и помехи некоррелированными, результирующие реализации на выходах антенн представим в виде:
где индексами c и n отмечены углы визирования сигнала объекта и помехи
k
Причем средние значения квадрата амплитуды  случайных амплитуд спектральных составляющих V будут:
т.е
1
2
Поскольку процессы  и  центрированы, то нормированная взаимокорреляционная функция на выходах антенн А и А будет:
c
п
где: θ и θ - углы визирования соответственно объекта и помехи; τ - величина сдвига, * - означает комплексное сопряжение; M[] - оператор математического ожидания.
ki
На основании статистической независимости случайных фаз α и выражений (3)-(5), нормированная взаимокорреляционная функция сигналов на выходах антенн 2.1 и 2.2 будет:
Отношение сигнал/помеха по мощности запишется как:
Тогда при нулевом сдвиге τ=0 нормированная взаимная корреляционная функция сигналов на выходах антенн 2.1 и 2.2 (фиг. 4) будет иметь вид:
где F - функция направленности антенны на i элементарный источник.
Вычисляя в тракте обработки сигналов (корреляторе 5) двухканального пеленгатора с широкополосными сигналами нормированную взаимную корреляционную функцию реализаций сигналов на выходах антенн, возможно формировать функцию направленности пеленгатора.
c
0
а
а
2
2
Для оценок потенциальной точности пеленгации локализованных излучателей на фоне распределенных в пространстве помех по полученным зависимостям (7) и (8) на ЭВМ по были рассчитаны нормированные взаимные корреляционные функции сигналов на выходах антенн 2.1 и 2.2 (в функции от угла пеленга объекта θ при различных значениях безразмерных параметров , ,  (где λ - длина волны, соответствующая средней частоте энергетического спектра; α и  Δω - относительная и абсолютная ширина полосы энергетического спектра;  - отношение сигнал/помеха по мощности).
0,1
0,5
Модель помехи была представлена точечными излучателями, равномерно распределенными в горизонтальной плоскости с шагом по углу Δθ=5 град. в пределах диаграммы направленности Δ при Δ=60 град. Объект представлялся точечным отражателем, расположенным в той же плоскости, что и помеха.
На фиг. 5 приведена рассчитанная нормированная диаграмма направленности двухканального пеленгатора с широкополосными сигналами.
Как следует из фиг. 5 и (8), используя взаимную корреляционную функцию сигналов на выходах приемных модулей, возможно осуществлять пеленгацию локализованных объектов на фоне распределенных в пространстве помех.
На выходе блока корреляционной обработки 5 (фиг. 2) вычисляется оценка нормированной взаимокорреляционной функции центрированных сигналов с выходов приемных блоков 4.1 и 4.2:
где Т - интервал времени усреднения, x(t) и y(t) - центрированные реализации сигналов на выходах приемных модулей (4.1 и 4.2, фиг 1).
Величина сдвига τ, при котором взаимная корреляционная функция (9) достигает экстремума, характеризует угол пеленга θ локализованного объекта.
Как следует из фиг. 4
С - скорость света.
Откуда оценка угла пеленга объекта
Таким образом, выполнение радиолокационного пеленгатора двухканальным с корреляционной обработкой позволяет повысить точность пеленгации локализованного слабоконтрасного объекта на фоне распределенной в пространстве помехи и обеспечение запреградного действия по локализованному объекту.