СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВОЙ ВЫСОТЫ ОБЪЕКТА ПОИСКА В ОБЗОРНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ РАДИОЛОКАТОРАХ
METHOD AND DEVICE FOR MEASUREMENT OF ANGULAR HEIGHT OF OBJECT OF SEARCH IN SURVEILLANCE NON-LINEAR RADARS

Настоящее изобретение относится к области радиолокации, в частности к РЛС ближней радиолокации, в которые входят обзорные нелинейные радиолокаторы (НРЛ), осуществляющие поиск объектов, содержащих активные радиоэлементы. Причем отражение от такого объекта поиска происходит на высших гармониках зондирующего сигнала, возникающих при нелинейном преобразовании в активных элементах объекта поиска.
Радиолокационные системы ближнего действия имеют специфические особенности, которые связаны, в первую очередь, с тем, что дальность их действия соизмерима с геометрическими размерами отражающих объектов и может изменяться от нескольких сотен метров практически до нуля.
Вследствие данных обстоятельств, методы классической радиолокации в случае малых дальностей сталкиваются с рядом проблем их реализации, которые, например, обусловлены необходимостью обеспечения защиты входа приемника на момент излучения мощного зондирующего сигнала. В нелинейной локации эта проблема решается применением линейных фильтров на входе приемника, которые выделяют высшие гармоники, возникающие при нелинейном преобразовании в активных радиоэлементах объектов поиска, и подавляют основную гармонику зондирующего сигнала. Другой проблемой в ближней локации является измерение угловых направлений. Практическое решение проблемы измерения угловых направлений ограничивается допустимым числом элементарных излучателей антенной системы. Исходя из удобства эксплуатации систем ближней локации в них недопустимо применение традиционных для классической радиолокации антенных систем типа антенных решеток с большим апертурным раскрывом. Наиболее целесообразно применение малоапертурных антенных решеток, состоящих из 2-3 элементарных излучателей. В этом случае измерение угловых направлений обеспечивается применением моноимпульсного метода, суть которого заключается в сравнении отраженных сигналов от объекта, принятых одновременно по двум или более несовпадающим диаграммам направленности, которые расположены симметрично относительно геометрической оси антенны, образующей равносигнальное направление [1, стр.11]. В своей простейшей форме моноимпульсный метод измерений сравнивает отраженные сигналы только в одной из плоскостей: азимутальной или угломестной. В частности, показано [1, стр.17], что моноимпульсный метод измерений наиболее эффективно применяется для измерения азимутального направления на цель.
В качестве прототипа заявляемого способа и устройства измерения угловой высоты выбран способ и устройство измерения угловых направлений моноимпульсным методом в НРЛ, реализованный с помощью дискретного набора многодиапазонных передающей и приемных антенн, который минимизирует массогабаритные характеристики обзорных НРЛ, причем число приемных каналов N определяется полной зоной обзора по угловой координате к ширине диаграммы направленности антенны (ДНА) элементарных излучателей [2].
Несмотря на возможность измерения угловых направлений моноимпульсным методом в НРЛ, следует отметить, что точное измерение азимутального направления моноимпульсным методом обеспечивается при условии нахождения в пределах элемента разрешения по дальности только одной цели [1, стр.19] и необходимостью наличия N-приемных каналов.
Поэтому способ измерения угловых направлений в обзорных НРЛ сохраняет актуальный характер, особенно если прием сигнала в НРЛ осуществляется по числу приемных каналов не более двух.
В этом случае для ближней локации, для измерения углового направления в угломестной плоскости метод моноимпульсной радиолокации не дает необходимой точности, поскольку в принятом сигнале от объекта присутствует отражение от поверхности земли. В результате этого в вертикальной плоскости всегда присутствует два сигнала, т.е. на вход приемной антенны приходит отраженная электромагнитная волна от поверхности земли и прямая волна от объекта поиска, которая распространяется непосредственно между приемной антенной системой и объектом поиска. Между прямой и отраженной волной появляется разность хода, равная [3, стр.37]:
<mrow><mi>Δ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>h</mi><mi>a</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>h</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msub></mrow><mi>D</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
a
где h - высота подъема антенны,
об
h -  высота подъема объекта поиска,
D - расстояние между антенной и объектом поиска (дальность до объекта).
<mrow><mi>δ</mi><mi>D</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>c</mi><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>f</mi></mrow></mfrac></mrow>
В случае нелинейной радиолокации длительность отклика от объекта поиска на высших гармониках ограничивается шириной полосы выделяемых гармоник, которые не должны перекрываться со спектральными составляющими зондирующего сигнала. В результате данного обстоятельства элемент разрешения по дальности в НРЛ, равный
, где c - скорость света, Δf - ширина спектра зондирующего сигнала, существенно превышает разность хода лучей, т.е. δD>>А.
Наличие в элементе разрешения по дальности двух сигналов (прямого и отраженного от земли) не позволяет с необходимой точностью измерить моноимпульсным способом угловое направление в НРЛ с помощью малоапертурных антенн, а применение габаритных антенных решеток с большим числом элементарных излучателей нецелесообразно по конструктивным требованиям.
Техническим результатом данного изобретения является измерение угловой высоты обнаруживаемого объекта в обзорных НРЛ ближнего действия с малогабаритной движущейся антенной системой на основе траекторного анализа амплитуды отраженных сигналов от объекта поиска при наличии двух сигналов (прямого и отраженного от земли) в элементе разрешения по дальности.
Напряженность поля в месте приема отличается от напряженности поля в свободном пространстве на величину множителя ослабления F за счет ослабления сигнала на трассе. Множитель ослабления - это сложная функция, зависящая от рельефа местности, коэффициента направленности антенны, высоты антенны и т.д. Рассчитаем множитель ослабления в случае ближней локации для НРЛ, когда передающая и приемная антенны расположены в одном месте (располагаются друг под другом), в этом случае падающая на объект и отраженная от объекта волны распространяются примерно по одному и тому же пути.
Еще в 1922 году академиком Б.А. Введенским впервые было показано, что электромагнитное поле волны в месте расположения приемной антенны можно рассматривать как результат интерференции прямого (свободно распространяющегося в воздухе) луча r1 и луча r2, отраженного в точке C от поверхности земли и попадающего в приемную антенну (см. фиг.1). Координату точки отражения C определяют из условия равенств углов падения и отражения γ. Это обстоятельство позволяет представить результирующую напряженность поля в точке приема в виде суммы мгновенных значений напряженности поля прямого луча и отраженного от поверхности земли [3, стр.35].
На фиг.1 показан путь прохождения электромагнитной волны от объекта до приемной антенны (в обратном направлении). Путь прохождения от передающей антенны до объекта (в прямом направлении) будем считать примерно совпадающим с обратным направлением.
На фиг.1 обозначено:
a
h - высота поднятия приемной (передающей) антенны А,
об
h - высота поднятия объекта В,
D - дальность до объекта,
C - точка отражения обратной (прямой) волны от земной поверхности,
γ - угол падения (отражения) (угол скольжения),
r1=AB - длина пути прямого луча (свободно распространяющегося в воздухе) от объекта до антенны (или наоборот),
r2=AC+CB - длина пути отраженного от земли луча от объекта до антенны (или наоборот).
Отраженный от земли луч r2 проходит больший путь от объекта до антенны, по сравнению с прямым лучом r1, на величину Δ=AC+СВ-АВ, которая называется разностью хода.
Из подобия треугольников фиг.1 разность хода между отраженным от земли и прямым лучом равна (см. формулу 1).
a
<mrow><mi>ϕ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi></mrow>
С учетом следующих ограничений, в частности, что высота антенны НРЛ намного меньше дальности до объекта (h<<D); наличия разности хода между прямым и отраженным от земли лучами Δ, которая приводит к дополнительному отставанию по фазе отраженного от земли луча на угол
(где λ - длина волны отраженной от объекта λ2 или падающей на объект λ1 для НРЛ) [3, стр.35], множитель ослабления равен [3, стр.37]:
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>R</mi><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>θ</mi><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi></mrow><mi>λ</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msup><mi>R</mi><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
-j.θ
где R=R·e - комплексный коэффициент отражения,
θ - угол потери фазы при отражении.
a
об
При малых значениях угла скольжения γ (h<<D,h<<D) фиг.1 для большинства встречаемых на практике видов поверхности земли R=1, в θ≈180° и с учетом формулы (1) множитель ослабления, согласно [3, стр.40], равен:
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>π</mi><mi>λ</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>=</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mrow><mo>|</mo><mrow><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>h</mi><mi>a</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>h</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>λ</mi><mo>⋅</mo><mi>D</mi></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>|</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
Как видно из формулы (3), множитель ослабления F зависит помимо высоты поднятия антенны и дальности до объекта еще и от высоты поднятия самого объекта.
об
<mrow><mi>λ</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>λ</mi><mn>1</mn></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
На основании формулы (3) была построена зависимость множителя ослабления отраженной от объекта волны от дальности до объекта F(D} для разных высот поднятия объекта h от 0.5 м до 2 м с шагом 0.5 м для НРЛ при условии, что длина отраженной от объекта волны
(отражение от объекта поиска в нелинейной радиолокации происходит на высших гармониках зондирующего сигнала, возникающих при нелинейном преобразовании в активных элементах объекта поиска, в частности на второй гармонике), где λ1 - длина падающей на объект волны.
макс
макс
<mrow><mi>θ</mi><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mo>⋅</mo><mi>π</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>h</mi><mi>a</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>h</mi><mrow><mi>о</mi><mi>б</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>λ</mi><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>D</mi></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow>
Как видно из фиг.2, зависимость множителя ослабления от дальности до объекта имеет типичный вид: наличие ряда максимумов и ряда минимумов, а также основной максимум на дальности D, в котором аргумент косинуса, согласно формуле (2), принимает значение
, после которой при малых углах скольжения множитель ослабления монотонно стремится к нулю. Причем значение D, (согласно фиг.2), при котором множитель ослабления имеет основной максимум, для разных высот поднятия объекта свое.
макс
макс
макс
макс
Значение D разбивает зону обнаружения НРЛ на две части. В ближней зоне, для дальностей D<D, происходит чередование максимумов и минимумов, поэтому вдоль трассы при перемещении антенны НРЛ от 0 до D траекторный сигнал представляет собой сложный фазоманипулированный сигнал, модуляция которого определяется множителем ослабления. В дальней зоне, когда D>D, фазовой модуляции сигнала нет, но появляется амплитудная модуляция частотного спектра траекторного сигнала. Следует отметить, что амплитудная модуляция спектра траекторного сигнала возникает также и в ближней зоне (см. фиг.3), где представлены результаты расчета множителя ослабления для разных частот в пределах октавы, что соответствует выделению в НРЛ второй гармоники.
макс
Наличие амплитудной модуляции, обусловленной влиянием множителя ослабления, будет приводить к увеличению уровня боковых лепестков сжатого сложного сигнала на выходе обработки на основе коррелятора [4, стр.145]. Уменьшить уровень боковых лепестков сжатого сигнала можно введением фильтра, параметры которого являются функцией дальности. При этом в ближней зоне, когда D<D, фильтр должен осуществлять и фазовую компенсацию, обусловленную влиянием множителя ослабления.
Поскольку множитель ослабления существенно зависит от высоты поднятия объекта поиска, то оптимизация обработки принимаемых колебаний достигается набором параллельных каналов, каждый из которых настроен на соответствующую высоту поднятия объекта поиска. По оценке максимума амплитуды множителя ослабления определяется номер канала, соответствующий высоте подъема объекта поиска.
Структурная схема НРЛ с определением высоты подъема объекта поиска показана на фиг.4.
Предлагаемое устройство определения высоты подъема объекта поиска в обзорных НРЛ содержит два канала, один соответствует формированию опоры для корреляционной обработки с последовательно соединенными 1 - первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП1), 2 - преобразователь зондирующего сигнала; другой - одному приемному каналу (один или два приемных канала зависит от функциональности НРЛ), с последовательно соединенными 3 - приемник, 4 - полосовой фильтр (ПФ1), 5 - второй аналого-цифровой преобразователь (АЦП2), 6 - набор полосовых фильтров (ПФ), 7 - набор корреляторов, 8 - схема отбора по максимуму.
В канале формирования опоры для корреляционной обработки сформированный зондирующий сигнал со второго выхода направленного ответвителя передатчика [2] поступает на АЦП1 1, в котором осуществляется дискретизация сигнала, далее на преобразователь зондирующего сигнала 2, в котором происходит перевод записанного сигнала с передатчика на вторую гармонику простым возведением его в квадрат, для имитации отраженного сигнала с нелинейным преобразованием в активных элементах объекта поиска. Таким образом, формируется опора, которая поступает на вторые входы корреляторов.
В канале приемника отраженный сигнал от объекта поиска поступает в приемник 3, в полосовом фильтре 4 выделяется вторая гармоника, возникающая при преобразовании в активных элементах объектов поиска и подавляется основная гармоника зондирующего сигнала, далее сигнал поступает на АЦП2 5, в котором осуществляется его дискретизация. Дискретизированный отраженный сигнал поступает на набор полосовых фильтров 6, характеристики которых соответствуют высотам поднятия обнаруживаемых объектов поиска в соответствии с рассчитанным множителем ослабления для выбранных высот. Число полосовых фильтров, а следовательно, и каналов равно числу ожидаемых высот поднятия объектов поиска. Обработка отфильтрованных сигналов в каждом канале осуществляется коррелятором 7 на основе интеграла-свертки отфильтрованных отраженных сигналов, поступающих на первый его вход после полосового фильтра 6, с зондирующим сигналом, предварительно подвергнутым нелинейному преобразованию в преобразователе 2 (опорой), поступающей на его второй вход. Выходы всех корреляторов поступают на схему отбора по максимуму 8. На выходе коррелятора, в случае отражения зондирующего сигнала от объекта поиска с определенной высотой, будет сжатый сигнал, по максимуму которого на выходе схемы 8 будет определен номер канала, а следовательно, и угловая высота поднятия объекта поиска.
Техническим результатом данного изобретения является измерение угловой высоты объекта в обзорных НРЛ ближнего действия с малогабаритной движущейся антенной системой на основе траекторного анализа амплитуды отраженных сигналов от объекта поиска при наличии двух сигналов (прямого и отраженного от земли) в элементе разрешения по дальности.
Список литературы
1. Д-Р. Роде «Введение в моноимпульсную радиолокацию», - М.: «Советское радио», 1960.2. Патент РФ №2474839 «Способ и устройство нелинейной радиолокации», МПК G01S 13/02, заявка №2011128239/07 от 07.07.2011.
3. М.П. Долуханов «Распространение радиоволн», - М.: «Связь», 1972.
4. Ю.С. Лезин «Введение в теорию и технику радиотехнических систем»,- М.: «Радио и связь», 1986.