СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ ДО ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ
METHOD OF DETERMINING DISTANCE TO EARTH'S SURFACE

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при построении различных радиолокационных систем, предназначенных для определения дальности до поверхности земли, использующих принцип отражения радиоволн (радиодальномеры или дальномеры).
ЗАД
Известен способ определения дальности D до поверхности земли [1], применяемый в радиодальномерах, использующих принцип отражения радиоволн, и заключающийся в измерении временной задержки t(временного интервала) от момента излучения зондирующего сигнала и до момента приема зондирующего сигнала, отраженного от поверхности земли (отраженный сигнал).
Реализация способа [1] заключается в следующем.
ЗОНД
С
Излучают зондирующий сигнал длительностью t в направлении поверхности земли с периодом Т.
Дифференцируют фронт принятого отраженного сигнала так, чтобы максимум продифференцированного сигнала находился на фронте отраженного сигнала.
ЗАД МАКС
Осуществляют обнаружение (поиск) по дальности сигнала, отраженного от поверхности земли, используя селектирующие импульсы, которые перемещают в диапазоне времен t задержек от минимума до максимума, что соответствует изменению дальности от минимума до максимума по расстоянию. При этом селектирующие импульсы имеют одинаковую длительность и амплитуду.
Процесс поиска (обнаружения) отраженного сигнала заканчивается, когда максимум продифференцированного отраженного сигнала совпадает с линией, находящейся на равном расстоянии от каждого селектирующего импульса.
СИ
Ф ОТР
Причем длительность каждого селектирующего импульса tустанавливают такой, чтобы она превышала длительность фронта t отраженного сигнала
Осуществляют слежение (сопровождение) за обнаруженным сигналом путем отслеживания его временного положения за счет поддержания постоянным состояния, когда максимум продифференцированного отраженного сигнала совпадает с линией соприкосновения селектирующих импульсов.
ЗАД
Измеряют временной интервал, равный временной задержке t от момента излучения зондирующего сигнала (импульса) и до момента приема отраженного сигнала - фронта отраженного сигнала (максимум продифференцированного отраженного сигнала).
ЗАД
Вычисляют дальность D (расстояние) до поверхности земли по измеренному значению t по формуле
где c - скорость распространения сигнала.
Выдают измеренную дальность потребителю. Недостатками способа [1] являются:
СИ
СИ
- недостаточная точность определения дальности D до поверхности земли, которая определяется длительностью селектирующего импульса t. Уменьшить значение t не удается в силу ограничения (1), в противном случае надежность обнаружения и слежения за отраженным сигналом снижаются и возможна потеря сигнала до измерения его параметров; различие в амплитудах и форме селектирующего импульса также снижает точность определения дальности;
- невозможность уверенного обнаружения отраженного сигнала при значениях отношения сигнал-шум, близких к единице;
- недостаточная точность определения дальности при малых значениях отношения сигнал-шум, так как помехи увеличивают нестабильность фронтов селектирующих импульсов и снижают точность определения максимума продифференцированного отраженного сигнала;
ЗАД МАКС
- большое время обнаружения (поиска) сигнала, которое определяется временем перемещения селектирующих импульсов в диапазоне времен t от минимума до максимума;
- отсутствие при определении дальности возможности накопления сигналов для снижения вероятности ложной тревоги и повышения вероятности правильного обнаружения.
ЗАД
Известен способ определения дальности D до поверхности земли [2], выбранный за прототип, применяемый в радиодальномерах, использующих принцип отражения радиоволн, и заключающийся в измерении временной задержки t (временного интервала) от зондирующего сигнала до опорного сигнала.
Реализация способа [2] заключается в следующем.
ЗОНД
С
Излучают зондирующий сигнал длительностью t в направлении поверхности земли с периодом T.
ОТР
Осуществляют обнаружение сигнала, отраженного от поверхности земли, путем дискриминации (сравнения) принятого отраженного U сигнала и опорного
ОПОРН
Р
OТP
ОПОРН
U сигнала и выработки сигнала Δt рассогласования, представляющего собой разность временных положений указанных сигналов t и t
отр
опорн
При этом сигнал рассогласования воздействует на опорный сигнал, изменяя задержку между U и U так, чтобы она стремилась к нулю
ОПОРН
ОПОРН
Ф ОТР
Причем первоначальную задержку U устанавливают такой, чтобы она соответствовала минимальному значению из диапазона измеряемых времен задержек, а длительность опорного сигнала устанавливают tтакой, чтобы она превышала длительность фронта t отраженного сигнала
Осуществляют слежение (сопровождение) за обнаруженным сигналом путем отслеживания его временного положения за счет поддержания состояния, когда сигнал рассогласования равен нулю.
ЗАД
Измеряют временной интервал, равный временной задержке t между излученным сигналом и временным положением опорного сигнала.
ЗАД
Вычисляют дальность D (расстояние) до поверхности земли по измеренному значению t по формуле (2).
Выдают измеренную дальность потребителю.
Недостатками способа [2] является:
- отсутствие при определении дальности возможности накопления сигналов для снижения вероятности ложной тревоги и повышения вероятности правильного обнаружения;
- невозможность уверенного обнаружения отраженного сигнала при значениях отношения сигнал-шум, близких к единице;
- большое время обнаружения (поиска) сигнала, которое определяется временем, необходимым на первоначальное изменение задержек между отраженным и опорным сигналами.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение вероятности ложной тревоги и повышение вероятности правильного обнаружения способа определения дальности до поверхности земли за счет проведения трехэтапных измерений - грубого измерения дальности на первом этапе, точного измерения дальности на втором этапе, подтверждения результатов точного измерения дальности результатами грубого измерения на третьем этапе.
Технический результат достигается тем, что в способе определения дальности до поверхности земли, заключающемся в излучении зондирующего сигнала в направлении поверхности земли, поиске, обнаружении сигнала, отраженного от поверхности земли, и слежении за обнаруженным отраженным сигналом путем дискриминации принятого отраженного сигнала и опорного сигнала для выработки сигнала рассогласования, представляющего собой разность временных положений указанных сигналов, причем сигнал рассогласования воздействует на опорный сигнал, изменяя его временное положение так, чтобы сигнал рассогласования стремился к нулю, измерении временного интервала, равного временной задержке между излученным сигналом и временным положением опорного сигнала, вычислении дальности до поверхности земли по измеренному значению временной задержки, осуществляют определение дальности до поверхности земли за счет трехэтапных измерений, на первом этапе проводят поиск и обнаружение отраженных сигналов путем накопления отраженных сигналов в селектирующих импульсах, являющихся парциальными интервалами времени одинаковой длительности, на которые разбивают интервал измеряемой дальности, и превышения в одном из селектирующих импульсов порога накопления, выполняют грубое (предварительное) измерение дальности путем измерения временного интервала между моментом излучения зондирующего сигнала и фронтом селектирующего импульса, в котором произошло обнаружение отраженного сигнала, причем поиск и обнаружение отраженного сигнала производят одновременно по всем селектирующим импульсам, вычисляют грубое (предварительное) значение дальности до поверхности земли по измеренному грубому (предварительному) значению временной задержки, на втором этапе выставляют опорный сигнал с задержкой, равной длительности временного интервала, соответствующего грубому (предварительному) измерению дальности, обнуляют всю накопленную информацию по всем селектирующим импульсам, осуществляют точное слежение за обнаруженным отраженным сигналом путем дискриминации принятого отраженного сигнала и опорного сигнала для выработки сигнала рассогласования и уменьшения его длительности до нуля, измеряют временной интервал, равный временной задержке между излученным сигналом и временным положением опорного сигнала, вычисляют точное (окончательное) значение дальности до поверхности земли по измеренному точному (окончательному) значению временной задержки, на третьем этапе проводят подтверждение результатов точного измерения дальности путем циклического обнаружения отраженного сигнала по всем селектирующим импульсам без изменения задержки опорного сигнала и сравнения с пороговым значением разности результатов измерений грубого (предварительного) и точного (окончательного) измерений дальности, при не превышении разности результатов измерений порогового значения вычисляют точное (окончательное) значение дальности до поверхности земли по измеренному точному (окончательному) значению временной задержки, выдают точную измеренную дальность, при превышении разности результатов измерений порогового значения прекращают точное измерение дальности, выставляют опорный сигнал с задержкой, равной длительности временного интервала, соответствующего последней грубо измеренной дальности, и проводят точное измерение временного интервала, которое используют для вычисления точного значения дальности до поверхности земли, проводят подтверждение результатов точного измерения временной задержки и выдают точное (окончательное) значение дальности, при отсутствии подтверждения результатов точного измерения дальности выдают вычисленное грубое значение дальности в качестве результата определения дальности до поверхности земли.
Технический результат достигается тем, что при реализации способа определения дальности на первом этапе происходит грубое (предварительное) определение дальности, значение которой уточняется на втором этапе, на котором происходит точное (окончательное) определение дальности до поверхности земли, на третьем этапе происходит подтверждение результатов точного измерения дальности путем циклического обнаружения отраженного сигнала, грубого измерения дальности и сравнения с пороговым значением разности результатов грубого и точного измерений.
Способ определения дальности до поверхности земли осуществляется следующим образом.
Первый этап.
ЗОНД
С
Излучают зондирующий сигнал длительностью t в направлении поверхности земли с периодом Т.
предв
МИН
МАКС
Ф ОТР
Измеряют временную  задержку, определяющую грубое (предварительное) значение дальности D по (2), путем поиска и обнаружения сигнала, отраженного от поверхности земли, во временном интервале  соответствующем временному интервалу от минимального значения измеряемой дальности D до максимального значения измеряемой дальности D, разбитым на N парциальных интервалов (N>>1) времени равной длительности Δt. Причем длительность парциального временного интервала Δt устанавливают такой, чтобы она превышала длительность фронта t отраженного сигнала
N
Поиск сигнала, отраженного от поверхности земли, производят путем накопления отраженных сигналов в N парциальных интервалах времени равной длительности Δt, каждому из которых соответствует свой селектирующий импульс. Отраженный сигнал считается обнаруженным, когда в одном из селектирующих импульсов Δt∈NΔt происходит превышение порога накопления k (k>1). Чем больше значение порога накопления k, тем выше вероятность правильного обнаружения и меньше вероятность ложного срабатывания при обнаружении отраженного сигнала. На практике максимальное значение порога накопления k ограничено временем, в течение которого сигнал, отраженный от поверхности земли, находится в пределах одного и того же селектирующего импульса. За счет накопления обнаружение отраженных сигналов происходит с низкой вероятностью ложной тревоги и высокой вероятностью правильного обнаружения и может происходить при значениях отношения сигнал-шум, близких к единице.
Поиск отраженного сигнала производят одновременно по всем селектирующим импульсам, что сокращает время обнаружения (поиска) сигнала.
ОТР
ПРЕДВ
Временную  задержку измеряют между моментом излучения зондирующего сигнала и фронтом селектирующего импульса, в котором произошло обнаружение отраженного сигнала U. Значение  определяет грубое (предварительное) значение дальности D по (2).
ПРЕДВ
зад
Точность измерения временной t  задержки определяется длительностью селектирующего импульса.
Второй этап.
ОПОРН
ОПОРН
Выставляют опорный сигнал U с задержкой t, равной длительности временного интервала, соответствующего грубому (предварительному) измерению дальности, обнуляют всю накопленную информацию по всем селектирующим импульсам для обеспечения возможности последующих обнаружений.
ОТР
ОПОРН
p
ОТР
ОПОРН
ОТР
ОПОРН
Осуществляют точное слежение (сопровождение) за обнаруженным сигналом путем дискриминации принятого отраженного U сигнала и опорного U сигнала для выработки сигнала ∆t рассогласования, представляющего собой разность временных положений указанных сигналов t и t согласно (3). Сигнал рассогласования воздействует на опорный сигнал, изменяя задержку между сигналами U и U так, чтобы она стремилась к нулю согласно (4).
ОПОРН
ОКОН
Измеряют временной интервал, равный временной задержке  между излученным сигналом и временным положением опорного сигнала U, осуществляют точное (окончательное) измерение дальности D до поверхности земли по измеренному значению  по (2). Точность измерения временной задержки  определяется эквивалентной полосой, при которой происходит процесс дискриминации.
Третий этап.
ОТР
Проводят циклическое обнаружение отраженного сигнала U по всем селектирующим импульсам дальности Δt без изменения задержки опорного сигнала
ОПОРН
ОТР
U и сравнение с пороговым значением ΔD разности результатов измерений грубого (предварительного) и точного (окончательного) измерений дальности. Пороговое значение ΔD определяется длительностью двух селектирующих импульсов. В результате происходит подтверждение результатов точного измерения дальности путем циклического обнаружения отраженного сигнала U, обеспечивая при точном измерении дальности вероятностные характеристики (вероятности ложной тревоги и правильного обнаружения), получаемые при грубом измерении дальности.
ОКОН
При непревышении разности результатов порогового значения ΔD вычисляют точное (окончательное) значение дальности до поверхности земли по измеренному точному (окончательному) значению временной задержки и выдают результаты измерения - точную измеренную дальность D.
ОПОРН
ОПОРН
ОКОН
При превышении разности результатов измерений порогового значения ΔD прекращают точное измерение дальности, выставляют опорный сигнал U с задержкой, равной длительности временного интервала, соответствующего последней грубо измеренной дальности до земной поверхности t, и проводят точное измерение временного интервала, соответствующего последнему положению селектирующих импульсов, в которых произошло обнаружение (положение селектирующих импульсов, в которых произошло обнаружение, в силу ряда причин могло измениться относительно их положения при измерении точной дальности на втором этапе), которое используют для вычисления точного значение дальности до поверхности земли по (2), проводят подтверждение результатов точного измерения временной задержки и выдают точное (окончательное) значение дальности D.
При отсутствии подтверждения результатов точного измерения дальности, возникающего: при значениях отношения сигнал-шум, близких к единице, при пропаданиях отраженного сигнала и других, когда точное измерение дальности затруднено, выдают вычисленное грубое значение дальности в качестве результата определения дальности до поверхности земли.
В результате выполнения описанных операций получим следующее.
1. Данный способ определения дальности до поверхности земли позволяет:
- при обнаружении накапливать отраженные сигналы;
- обнаруживать за счет накопления отраженные сигналы при значениях отношения сигнал-шум, близких к единице;
- обеспечить высокую вероятность правильного обнаружения и минимизировать вероятность ложного срабатывания при обнаружении отраженного сигнала.
При анализе были рассмотрены два варианта обнаружения сигнала: с учетом флуктуаций и без учета флуктуаций.
В первом случае рассматривается смесь сигнал-шум. Распределение плотности вероятности огибающей такого сигнала выберем по экспоненциальному закону. Будем полагать, что эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) земной поверхности флуктуирует с плотностью вероятности  по закону
где σ - мгновенное значение ЭПР,  - среднее значение ЭПР.
Вероятность r превышения значения порога накопления в одном из селектирующих импульсов определяется как
C-Ш
П
Ш
Здесь q - отношение сигнал-шум по мощности, Р/Р - отношение мощности помех к мощности собственных шумов.
Во втором случае рассматривается смесь сигнал-шум без учета флуктуаций, плотность вероятности огибающей которой распределена по закону Релея-Райса
0
Здесь  - напряжение огибающей смеси сигнал-шум,  - дисперсия шума, a - отношение сигнал-шум по напряжению, I(aϑ) - модифицированная функция Бесселя нулевого порядка.
Вероятность превышения значения порога накопления k в одном из селектирующих импульсов определяется как
При расчете мощности отраженного сигнала диаграмма γ обратного рассеяния (ДОР) земной поверхности была принята в виде
где θ - угол отклонения от нормали к касательной плоскости;
O
K - параметр, характеризующий коэффициент отражения поверхности;
Р
К - параметр, характеризующий ширину ДОР (например, на уровне 0,5 по мощности).
Значение порога накопления определяется исходя из допустимого значения вероятности превышения его шумом в виде
Ш
П-Ш
Здесь р - плотность шумов вне селектирующих импульсов, g - напряжение, сравниваемое со значением порога накопления, отнесенное к напряжению шумов.
Результаты расчета вероятностных характеристик при обнаружении отраженного от земной поверхности сигнала приведены в таблице.
Таблица
Порог накопления
Отношение сигнал-шум, дБ
Вероятность правильного обнаружения
Вероятность ложного срабатывания
32
10
0,998
0,00017·10<sup>-5</sup>
2
0,85619
24
10
0,998
0,489·10<sup>-5</sup>
2
0,99039
При оптимальных условиях работы процессов поиска-обнаружения-слежения-подтверждения вероятность правильного обнаружения отраженного сигнала составляет в данном способе не менее 0,998.
2. Данный способ позволяет сократить время обнаружения (поиска) сигнала, поскольку поиск отраженного сигнала производят одновременно по всем селектирующим импульсам, что сокращает время обнаружения (поиска) сигнала.
3. Данный способ позволяет подтверждать результаты точного измерения дальности до поверхности земли.
ОТР
Подтверждение результатов точного измерения дальности происходит путем циклического обнаружения отраженного сигнала U, обеспечивая при точном измерении дальности вероятностные характеристики (вероятности ложной тревоги и правильного обнаружения), получаемые при грубом измерении дальности.
Способ определения дальности до поверхности земли позволяет:
- накапливать отраженные сигналы при обнаружении;
- обнаруживать за счет накопления отраженные сигналы при значениях отношения сигнал-шум, близких к единице;
- сократить время обнаружения (поиска) сигнала, которое определяется временем, необходимым на первоначальное изменение задержек между отраженным и опорным сигналами;
- подтверждать результаты точного измерения дальности до поверхности земли результатами грубого измерения дальности до поверхности земли.
В результате способ определения дальности D до поверхности земли за счет проведения трехэтапных измерений позволяет обеспечить высокую вероятность правильного обнаружения и минимизировать вероятность ложного срабатывания при уменьшении времени поиска сигнала и высокой точности измерения дальности до поверхности земли, что гарантирует точное отслеживание изменений рельефа поверхности земли.
Рассмотренный способ определения дальности до поверхности земли обладает рядом существенных преимуществ перед прототипом и аналогом.
Источники информации
1. Справочник по радиолокации / Под ред. М.Сколника. - М.: Сов. радио, 1976. - Т.1 - 456 С. (С.176-197, 309-310).
2. Жуковский А.П., Оноприенко Е.И., Чижов В.И. Теоретические основы радиовысотометрии. - М.: Сов. радио, 1979. - 320 С. (С.152-154) (прототип).