РАДИОЛОКАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО УСТРАНЕНИЯ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ДАЛЬНОСТИ ДО ВОЗДУШНЫХ ОБЪЕКТОВ

Полезная модель относится к радиолокации и может быть использована для радиолокационного обнаружения воздушных объектов (ВО) импульсно-доплеровскими (ИД) радиолокационными системами (РЛС), размещенными на современных истребителях [1] или авиационных комплексах дальнего радиолокационного обнаружения [2], на фоне земной поверхности.
Импульсно-доплеровские РЛС (ИД РЛС) характеризуются неоднозначностью измерения расстояний до ВО вследствие высокой частоты повторения импульсов (ЧПИ). Диапазон однозначного измерения дальности до ВО зависит от ЧПИ и для частот, превышающих 1 кГц, в большинстве случаев недостаточен. Поэтому для восстановления истинного расстояния до ВО в большем диапазоне используются неоднозначные измерения дальности на нескольких ЧПИ.
Такой подход приемлем для определения дальности для одиночных ВО. Однако если одной последовательностью импульсов облучается несколько ВО, например, при компактном их расположении, то измерение дальности может быть произведено только с большими ошибками, так как при этом возможны многочисленные ложные комбинации неоднозначных измерений. В таких случаях необходима дополнительная обработка сигналов с различными ЧПИ для правильного составления пар неоднозначных измерений дальности, соответствующих одному ВО.
Известен способ измерения дальности до нескольких целей импульсно-доплеровскими радиолокационными станциями со средней частотой повторения импульсов [3].
Наиболее близкой к описываемой полезной модели является РЛС, выбранная в качестве прототипа ([4], стр. 126, рис. 3.2.1), содержащая антенну, многоканальный приемник, первый вход которого соединен с выходом антенны, задающий генератор, первый выход которого соединен со вторым входом многоканального приемника, синхронизатор, первый выход которого соединен с третьим входом многоканального приемника, а первый вход - со вторым выходом задающего генератора, усилитель мощности, первый вход которого соединен со вторым выходом синхронизатора, второй вход - с третьим выходом задающего генератора, а выход - с входом антенны, процессор обработки сигнала, вход которого соединен с выходом многоканального приемника.
Технический результат, который может быть получен от использования предлагаемой полезной модели, состоит в однозначном определении дальностей до каждого из компактно расположенных ВО в ИД РЛС.
На фигуре 1 представлен структурная схема предлагаемого устройства, на которой входы обозначены цифрами, а выходы - цифрами в квадратных скобках. На фигурах 2-5 проиллюстрированы пояснения к описанию предлагаемого устройства.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в РЛС, содержащую антенну 1, многоканальный приемник 2, первый вход которого соединен с выходом антенны, задающий генератор 3, первый выход которого соединен со вторым входом многоканального приемника, синхронизатор 4, первый выход которого соединен с третьим входом многоканального приемника, а первый вход - со вторым выходом задающего генератора, усилитель мощности 5, первый вход которого соединен со вторым выходом синхронизатора, второй вход - с третьим выходом задающего генератора, а выход - с входом антенны, процессор обработки сигналов 6, вход которого соединен с выходом многоканального приемника, дополнительно введены синтезатор частот 7, вход которого соединен с четвертым выходом задающего генератора, формирователь последовательности импульсов 8, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами синтезатора частот, а выход - с третьим входом усилителя мощности, блок отождествления измерения дальности 9, вход которого является выходом процессора обработки сигналов 6, а выход направлен к потребителю.
Сравнение с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием новых блоков и их связями между ними. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные элементы, используемые в блоках, являются известными, однако их введение в указанной связи с остальными элементами приводит к расширению функциональных возможностей устройства.
Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».
Устройство работает следующим образом.
П1
П2
В задающем генераторе 3 и синхронизаторе 4, обеспечивающем согласованную во времени работу всех блоков и узлов устройства, формируются требуемые сигналы и опорные гетеродинные и низкочастотные напряжения, передающиеся в многоканальный приемник 1, синтезатор частот 7, формирователь последовательности импульсов 8 и усилитель мощности 5. В синтезаторе частот 7 формируются частоты повторения импульсов F, F, на основе которых в формирователе последовательности импульсов 8 формируются импульсы для облучения ВО. Усилитель мощности 5 усиливает сигналы, поступающие от задающего генератора 3, и передает их в антенну 1, луч которой устанавливается в нужном направлении, и происходит облучение ВО. Отраженный от ВО сигнал принимается антенной 1 и поступает в многоканальный приемник 2, где осуществляется его усиление, преобразование на промежуточные частоты и дальнейшее аналого-цифровое преобразование сигнала. Процессор обработки сигналов 6 осуществляет основные операции по обнаружению целей, по доплеровской селекции и другим действиям.
Обработанные сигналы поступают в блок отождествления измерения дальности 9, где осуществляется их дальнейшая обработка.
Обработка сигналов в блоке 9 заключается в следующем.
П
о
Определение дальности до ВО в ИД РЛС производится на основе измерения времени задержки отраженного импульса относительно момента излучения ближайшего импульса. Поэтому для однозначного оценивания дальности измеренное время задержки не может быть больше периода следования импульсов Т, а получаемое в результате измерения значение дальности не превышает диапазона однозначного измерения . Если истинное расстояние до ВО больше Д, то таким способом оно не может быть измерено правильно.
П1
П2
1
2
1
2
1
1
2
2
Для определения истинных расстояний до ВО используются неоднозначные измерения дальностей на двух ЧПИ. Каждой ЧПИ F, F соответствует свой интервал однозначных измерений дальности Д, Д. Предполагается, что интервалы Д, Д разбиты на целое число стробов дальности Д=mh, Д=mh, где h - длина строба дальности. Если истинная дальность Д до ВО равна n стробам дальности, т.е. n=Д/h, то в качестве измерений расстояния, выраженного в стробах дальности, будут получены числа
1
2
1
2
1
2
1
2
Восстановление истинного расстояния заключается в нахождении такого числа k стробов дальности, что при делении его на m и m получаются соответственно остатки m и m. В соответствии с теоремой об остатках [5] при взаимно простых m и m существует единственное число k<mm.
1
2
1
2
1
2
Это означает, что по неоднозначным измерениям r и r на двух частотах истинная дальность также восстанавливается неоднозначно, однако диапазон однозначного определения дальности становится равным mm, что существенно больше аналогичных диапазонов m и m при одночастотных измерениях. Истинное расстояние (в стробах дальности) определяется по формуле
1
2
2
1
1
1
2
2
где числа M и M таковы, что mM=\(modm), mM=1(modm). Здесь запись p=q(modm) означает, что целые числа p и q при делении на целое положительное число m имеют одинаковые остатки.
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
х
2
1
2
1
2
Для восстановления истинной дальности до ВО может быть применен табличный способ, в рамках которого составляется таблица из m столбцов и m строк. Ячейки таблицы заполняются числами от 0 до mm-1 по следующему правилу. Число n заносится в ячейку, расположенную на пересечении r+1 строки и r+1 столбца (r и r остатки от деления n на m и m соответственно). Теорема об остатках гарантирует, что все ячейки таблицы будут заполнены числами от 0 до mm-1 при взаимно простых m и m. Определение числа n по неоднозначным измерениям r и r с помощью описанной таблицы заключается в выборке числа, расположенного на пересечении r+1-го столбца и r+1-ой строки (строки нумеруются снизу вверх). Например, при получении неоднозначных измерений r=2 и r=4 восстановленное значение однозначной дальности находится в пятой снизу строке и третьем столбце и составляет 14 (см. фиг. 2).
1
2
1
2
1
2
a
a
b
b
c
c
a
b
c
a
b
c
a
a
a
Описанный способ определения дальности до целей с использованием измерений на двух ЧПИ позволяет однозначно восстановить расстояние до одиночного ВО в диапазоне от 0 до mm-1. Однако при наблюдении плотных групп ВО, когда одной или двумя пачками импульсов одновременно облучается несколько ВО, возникают определенные трудности в правильном определении дальности до всех ВО. Причины возникновения ошибок в определении дальности до ВО понятны из примера, рассмотренного на фигуре 3. На этой фигуре представлена таблица размером m×m=6×5, с помощью которой по неоднозначным измерениям r и r определяется дальность до ВО. Пусть одновременно получены неоднозначные измерения r=1, r=4, r=2, r=1, r= 4, r=3 дальности до трех ВО , b и с. Каждой паре измерений на двух различных частотах в таблице на фигуре 3 соответствует определенное значение дальности до ВО. Для рассматриваемых значений неоднозначных измерений расстояния до ВО , b и c, определяемые по данной таблице, равны, соответственно, 19, 26 и 28. Однако измерения расстояний r, r, r, полученные на первой частоте повторения импульсов, и измерения r, r, r, полученные на второй частоте, могут быть объединены в пары 3!=6 различными способами, из которых все, кроме одного, не соответствует реальному расположению ВО. Например, парам измерений (1, 3), (2, 1) и (4, 4) по таблице, представленной на фигуре 3, соответствуют расстояния до ВО, равные 13, 26 и 4. При таком группировании измерений только расстояние до ВО b определяется правильно, а найденные данным способом расстояния до ВО  и c ошибочны. При этом ошибки определения дальности до ВО в плотных группах, вызванные неправильным объединением в пары измерений на двух ЧПИ, являются комбинаторными.
Из способа определения дальности и из рассмотренного примера видно, что комбинаторные ошибки могут иметь произвольную величину в диапазоне от 0 до 29 элементов разрешения по дальности. Статистическое распределение таких ошибок сильно отличается от гауссовского и зависит от способа объединения неоднозначных измерений в пары.
Для минимизации комбинаторных ошибок при определении дальности до ВО в плотной группе используется параметр сигналов, который принимает совпадающие или близкие значения для пачек импульсов, принятых после отражения от одного ВО на двух ЧПИ. В предлагаемом устройстве в качестве такого параметра используются амплитуды принимаемых сигналов.
i1
j2
ij
i1
j2
i1
j2
ii
ij
Общая схема использования некоторого параметра сигнала p для отождествления (сличения) измерений дальности заключается в следующем. На основе значения параметра p для сигнала от i-го ВО на первой ЧПИ и значения параметра p для сигнала от j-го ВО на второй ЧПИ формируется невязка δ(p, p), которая является функцией параметров p и p, обладающей следующим свойством. В отсутствии шумов она должна принимать нулевое значение (δ=0) для сигналов от одного ВО, а для сигналов от различных ВО невязка должна быть положительная (δ>0 при i≠j). Данное свойство невязки позволяет отбирать пары сигналов с различными ЧПИ, соответствующие одному ВО.
Сумма невязок для правильно отождествленных сигналов равна нулю. Если же сигналы хотя бы в одной паре соответствуют разным ВО, то сумма невязок для таких пар не будет нулевой.
ij
ij
Из-за ошибок измерения параметров, вызванных действием шумов, невязки, соответствующие сигналам от одного ВО, не будут нулевыми. Однако если невязки обладают тем свойством, что при i=j значения δ близки к нулю, а при i≠j у значения δ являются достаточно большими положительными числами, то с большой вероятностью следует ожидать, что сумма невязок для правильно отождествленных пар сигналов будет минимальной среди всевозможных вариантов отождествления
1
2
n
i
ij
ij
1
2
n
Каждая перестановка (p, p, …, p) чисел (1, 2, … n) задает вариант отождествления измерений, при котором i-му измерению на первой ЧПИ соответствует p-е измерение на второй ЧПИ. Из-за указанных выше свойств невязок δ, образующих матрицу Δ=(δ), правильному отождествлению соответствует перестановка (p, p, p), минимизирующая сумму:
среди n! всевозможных перестановок.
Таким образом, задача отождествления неоднозначных измерений дальности до n ВО, полученных на двух ЧПИ, сводится к комбинаторной задаче минимизации функционала (3), известной как задача о назначениях [6]. Данная задача относится к классу задач линейного программирования транспортного типа. Для нахождения решения (перестановки, минимизирующей функционал (3)) применен венгерский метод [6].
Основанием для использования амплитуды в качестве параметра сигнала, по которому производится сличение, является предположение о дружной флуктуации двух последовательных пачек импульсов с различным периодом повторения, принимаемых от одного ВО. Это предположение следует из сделанной в [7] оценки частоты флуктуации отраженного сигнала, вызванных измерениями пространственного положения ВО. Согласно этой оценке период флуктуаций существенно больше длительности двух соседних пачек импульсов. Кроме того, считается, что флуктуации эффективной поверхности рассеивания (ЭПР) различных ВО, входящих в одну группу, независимы. Выполнение данных условий делает принципиально возможным различение по амплитуде сигналов от ВО, расположенных на одинаковой дальности и имеющих одинаковую среднюю ЭПР, за счет независимых флуктуаций значений их ЭПР.
Предполагается, что амплитуда U принимаемого (отраженного от ВО) сигнала с учетом направления его прихода выражается формулой
,
где Д - дальность до ВО, σ - ЭПР ВО, F(α) - нормированная диаграмма направленности (ДН) антенны, а - угловое положение ВО относительно оси ДН, P - множитель, зависящий от мощности передатчика и других параметров. В пределах главного лепестка ДН хорошо аппроксимируется функцией
,
О,5
О,5
в которой Θ - ширина ДН на уровне половинной мощности, k=(41n2)/Θ.
П1
П2
Также предполагается, что структура последовательностей зондирующих сигналов РЛС имеет вид, проиллюстрированный на фигуре 4. Вся последовательность сигналов разбита на отдельные кадры. Соседние кадры разделены паузой, а сами кадры, заполненные последовательностью импульсов, делятся на 2 полукадра. Учитывая постоянство скорости вращения антенны, длительности кадров удобно представлять углами, которые проходит ДН за соответствующее время. Каждый полукадр имеет угловой размер 2δ, а угловой размер кадра вместе с паузой - τ. Обработка последовательностей импульсов на каждом полукадре производится раздельно. Раздельная обработка сигналов на полукадрах позволяет оценить скорость увеличения (уменьшения) сигнала и, следовательно, направление в пределах ДН антенны, с которого поступил сигнал. Используются 2 частоты повторения импульсов F и F, которые чередуются так, что в соседних кадрах эти частоты различны.
П1
1
1
1
2
П2
2
2
Рассматриваются два последовательных кадра, ближайших к моменту пересечения осью ДН направления на ВО. На фигуре 5 проиллюстрировано положение ВО и 3 сектора, которые проходит ось ДН за время излучения импульсов с частотой F (сектор SOF), за время, равное длительности паузы (сектор FOS), и за время излучения импульсов с частотой F (сектор SOF).
За время, равное длительности полукадра, из-за вращения антенны и изменения направления прихода отраженных от ВО импульсов относительно оси ДН меняется амплитуда обрабатываемых сигналов. В результате обработки амплитуды сигналов одного полукадра усредняются так, как будто все они имеют одинаковую амплитуду, равную амплитуде сигнала в середине полукадра, т.е. предполагается, что в момент локации ВО ось ДН находится в середине полукадра, а направление прихода пачки импульсов от ВО равно разности углового положения ВО и центра полукадра.
1
2
П1
Пусть угловое положение ВО определяется углом α и не меняется за время, равное длительности кадра, положения оси ДН в моменты, соответствующие серединам соседних кадров, описываются углами γ и γ. Тогда направления прихода отраженных от ВО импульсов относительно оси ДН на двух полукадрах с ЧПИ F определяются углами (см. фиг. 5)
11
1
12
1
φ=α-γ+δ, φ=α-γ-δ,
П2
а на двух полукадрах с ЧПИ F - углами
21
2
22
2
φ=α-γ+δ, φ=α-γ-δ.
m1
m2
Таким образом, сигналы U, U, m=1, 2, фиксируемые на полукадрах двух последовательных кадров от одного ВО, определяются выражениями
, .
11
12
21
22
Для простоты обозначений в приведенных выше формулах не указывалось явно какому ВО соответствуют амплитуды U, U, U, U, однако далее, при необходимости, через , , ,  будут обозначаться соответствующие i-му ВО амплитуды, зарегистрированные на четырех последовательных полукадрах.
2
1
1i
2i
Учитывая, что длительность кадра (последовательности импульсов с одной частотой повторения и паузы) τ=γ-γ=φ-φ, m=1, 2, можно получить выражение для отношения амплитуд сигналов
Таким образом, если сигналы , , ,   получены от одного ВО (i=j), то должны выполняться соотношения
Если же ,  соответствуют одному ВО в плотной группе, а  и  другому, то равенства (4) выполняться, как правило, не будут. Поэтому в качестве меры близости сигналов  и , полученных на первом из двух последовательных кадров от i-го ВО, и сигналов  и  полученных на втором кадре от j-го ВО, целесообразно использовать величину
.
При отсутствии шумов выполнение равенств (4) является критерием того, что измерения  и , полученные на первой ЧПИ, и измерения  и , полученные на второй ЧПИ, соответствуют одному ВО, т.е. i=j.
ij
ij
ij
ij
1
2
n
1
2
П1
П2
Значения δ для различных i и j составляют матрицу. При точных измерениях амплитуд в отсутствии шумов должны выполняться равенства δ=0. Таким образом, матрица δ рассматривается как матрица стоимости при решении задачи о назначениях для отождествления пар измерений, полученных на двух ЧПИ. Минимизируя функционал (3) для конкретной матрицы δ, определяется та перестановка (p, p, …, p) чисел (1, 2, … n), которая однозначно задает вариант отождествления измерений. Далее применяется формула (1), с помощью которой вычисляются остатки r и r для каждой ЧПИ F и F. Далее по формуле (2) вычисляется истинное расстояние Д до ВО.
Результат реализации рассмотренного метода (истинное расстояние Д до ВО) передается из блока 9 потребителю (фиг. 1).
Таким образом, сущность предлагаемой полезной модели заключается в реализации рассмотренного подхода, позволяющего решить задачу однозначного восстановления расстояния до каждого ВО из общей группы ВО импульсно-доплеровскими РЛС с использованием измерений на двух ЧПИ.
Литература
1. Канащенков А.И., Меркулов В.И., Герасимов А.А. и др. Радиолокационные системы многофункциональных самолетов. Т. 1. РЛС - информационная основа боевых действий многофункциональных самолетов. Системы и алгоритмы первичной обработки радиолокационных сигналов. - М.: Радиотехника, 2006.
2. Авиация ПВО России и научно-технический прогресс: Боевые комплексы и системы вчера, сегодня, завтра. / Под ред. Е.А. Федосова. - М.: Дрофа, 2001.
3. Белый Ю.И., Мареев А.Ю. Способ измерения дальности до нескольких целей импульсно-доплеровскими радиолокационными станциями со средней частотой повторения импульсов. Патент RU 2221258 C1.
4. Радиолокационные системы многофункциональных самолетов. Т. 1. РЛС - информационная основа боевых действий многофункциональных самолетов. Системы и алгоритмы первичной обработки радиолокационных сигналов. /Под ред. А.Н. Канащенкова и В.И. Меркулова. - М.: Радиотехника, 2006.
5. Виноградов И.М. Основы теории чисел. - М.: Наука, 1981.
6. Гольштейн Е.Г., Юдин Д.Б. Задачи линейного программирования транспортного типа. - М.: Наука, 1969.
7. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. - М. Радио и связь. 1993.