СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОТЫ И ФОРМИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ПО ДАННЫМ БОРТОВОЙ ИМПУЛЬСНО-ДОПЛЕРОВСКОЙ РЛС МАЛОВЫСОТНОГО ПОЛЕТА
METHOD OF MEASURING HEIGHT AND FORMATION OF THREE-DIMENSIONAL IMAGE OF SURFACE ACCORDING TO ONBOARD PULSEWISE-DOPPLER RADAR OF LOW-LEVEL FLIGHT

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным системам наблюдения за поверхностью на базе бортовой импульсно-доплеровской РЛС маловысотного полета, работающей в режиме "доплеровского обужения" диаграммы направленности антенны (ДНА).
Измерение высоты поверхности при формировании радиолокационного изображения (РЛИ) поверхности с помощью бортовой РЛС необходимо, например, для более точного картографирования местности со сложным рельефом поверхности, распознавания объектов на поверхности и др.
Известен способ получения трехмерного изображения поверхности по данным бортовой импульсно-доплеровской РЛС маловысотного полета [1].
Способ заключается в построчном сканировании лучом контролируемого участка поверхности. При каждом положении луча с помощью узкополосной доплеровской фильтрации, осуществляемой в заданных элементах разрешения дальности, ДНА рассекается под определенным углом на 10-30 [2, с.22] узких пространственно-протяженных по углам доплеровских элементов разрешения (ДЭР). Это дает возможность более точно (по сравнению с ДНА) определять угловые координаты участков поверхности в составе ДЭР и по трем известным координатам (дальность, азимут, угол места) формировать трехмерное изображение поверхности, что в пересчете в прямоугольную систему координат дает информацию о высоте поверхности. Однако режим сканирования луча в основном используется для обнаружения препятствий по линии полета на малой дальности. Если данный способ применять для формирования детального трехмерного изображения поверхности при одном фиксированном положении луча на средней дальности, то потребуется дополнительно повысить разрешающую способность по углам, рассекая ДЭР на еще более мелкие части, что в рамках указанного способа сделать не удается.
Известен моноимпульсный метод измерения угловых координат (азимута или угла места) одиночного точечного воздушного объекта в пределах одной ДНА (при фиксированном положении луча), позволяющий по углу места и дальности определить высоту объекта [3], [4, с.424], [5, с.370]. Однако при наблюдении за поверхностью такой метод не работает, так как поверхность в пределах ДНА представляет множество точечных объектов (элементарных участков поверхности).
Наиболее близким по технической сущности является способ получения двумерного (плоского) РЛИ поверхности в режиме узкополосной доплеровской фильтрации [6]. Данный способ заключается в следующем.
1. При фиксированном положении луча антенны принятый во времени t отраженный комплексный сигнал  селектируют по дальности, т.е. выбирают из сигнала i-e составляющие , соответствующие последовательности элементов разрешения по дальности: , где m - число таких элементов в зоне обзора.
2. В каждом i-м элементе разрешения дальности  сигнал  селектируют по частоте, т.е. выбирают из сигнала j-e составляющие , соответствующие последовательности элементов разрешения по частоте: , где n - число фильтров.
j
j
j
j
3. Последовательность j-x элементов разрешения по частоте f ставится в соответствие последовательности j-x элементов разрешения по доплеровскому углу α отклонения луча отраженного сигнала от вектора скорости движения носителя РЛС, причем частота f связана с углом α зависимостью [7]:
,
где ν - скорость движения объекта носителя РЛС; λ - длина волны.
4. Элемент разрешения на j-й частоте в данном i-м элементе разрешения дальности (i,j-й ДЭР) геометрически образуется пересечением конической поверхности ДНА сферическими поверхностями уровня дальности и коническими поверхностями уровня доплеровского угла и представляет собой узкий пространственно-протяжнный элемент, расположенный под некоторым углом в сечении ДНА. Результатом пересечения i,j-го ДЭР с поверхностью является элементарный i,j-й участок поверхности (подобный точечному объекту), вызывающий отраженный сигнал , амплитуда которого A(i,j) определяется в j-м фильтре частот для i-го элемента дальности.
5. Совокупность амплитуд A(i,j), , , полученных в i-x элементах разрешения дальности и j-x элементах разрешения по частоте, представляет плоское РЛИ поверхности в координатах дальность-частота.
В известном режиме бокового или переднебокового обзора при движении объекта-носителя РЛС на большой высоте конические поверхности постоянного уровня доплеровской частоты (угла), как правило, почти перпендикулярны горизонтальной плоскости на уровне подстилающей (отражающей) поверхности и при пересечении с ней дают почти параллельные линии. Множество таких линий образуют столбцы изображения, а линии пересечения сферических поверхностей уровня дальности с подстилающей образуют строки. При необходимости полученное РЛИ может быть пересчитано в координаты дальность-азимут.
Однако такой способ обладает следующим недостатком. Почти вертикально расположенные к подстилающей поверхности ДЭР позволяют измерить высоту поверхности и объектов на поверхности с погрешностью, равной размеру ДНА по углу места, что неприемлемо. Существует возможность измерить угол места (и соответственно высоту) элементарного участка поверхности в вертикально расположенном ДЭР с помощью моноимпульсного метода [3-5] измерения угловой координаты точечного объекта с погрешностью, которая в 5-10 раз меньше ширины ДНА по углу места, однако эта погрешность все же в 2-3 раза будет больше, чем разрешающая способность по азимуту при доплеровском обужении ДНА, которая в 10-30 раз меньше ширины ДНА [2, с.22], и требуется дополнительно уменьшить погрешность измерения угла места. Таким образом, рассматриваемый способ-прототип позволяет получать только двумерное (плоское) изображение поверхности, которое не несет информацию о высоте поверхности, что не позволяет применять данный способ при маловысотном полете. Использование моноимпульсного метода измерения угловой координаты в сочетании с данным способом не позволяет измерить высоту поверхности с точностью, соизмеримой с точностью доплеровского обужения.
Технический результат направлен на измерение высоты поверхности в i,j-x элементах разрешения РЛС по дальности и частоте на основе более точного определения угла места элементов поверхности в i,j-x ДЭР и формирование трехмерного изображения поверхности в виде матрицы амплитуд A(i,j) и матрицы высот H(i,j).
j
j
j
ij
Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что способ измерения высоты и формирования трехмерного изображения поверхности по данным бортовой РЛС с доплеровской селекцией по частоте заключается в создании режима маловысотного полета, который сочетает узкополосную доплеровскую фильтрацию принятых сигналов, позволяющую рассечь под определенным углом ДНА на узкие пространственно-протяженные по углам элементы разрешения ДЭР, и моноимпульсный метод измерения азимута элемента отражающей поверхности в пределах ДЭР с последующим определением угла места элемента поверхности и его высоты, что позволяет наряду с матрицей амплитуд A(i,j) сформировать матрицу высот H(i,j) в этих же элементах разрешения, при этом измеряют амплитуды A(i,j) сигналов в i-x элементах разрешения дальности и j-x элементах разрешения по частоте, тем самым получают двумерное амплитудное изображение поверхности в пределах ДНА при фиксированном положении луча РЛС в виде матрицы А, отличающийся тем, что в режиме маловысотного полета линию визирования антенны располагают по отношению к вектору скорости движения носителя РЛС так, что поверхность постоянной доплеровской частоты f (доплеровского угла α) пересекают ДНА под острым углом 10-30° к горизонтальной плоскости на уровне поверхности, при этом на основе сигнала , отраженного от i,j-го элемента поверхности и выделенного в i-м элементе дальности и j-м фильтре доплеровских частот (при известном доплеровском угле α), измеряют азимут φ i,j-го элемента поверхности моноимпульсным методом, затем вычисляют угол места θij и высоту H(i,j) i,j-го элемента поверхности по формулам
, ,
где ,
i
ij
ij
λ - длина волны, ν - скорость движения носителя РЛС, R - наклонная дальность до i-го элемента разрешения, h - высота полета носителя, углы φ и θ, отсчитываются в положительном направлении: φ - против часовой стрелки от направления движения носителя, θ - по часовой стрелке от горизонтальной плоскости движения носителя, затем найденные значения высоты H(i,j) запоминают в матрице высот H, которая совместно с матрицей амплитуд А представляет трехмерное изображение поверхности.
Способ осуществляется следующим образом.
j
j
j
1. В режиме маловысотного полета линия визирования антенны располагается по отношению к вектору скорости движения носителя РЛС так, что поверхность постоянной доплеровской частоты f или доплеровского угла α, связанного с f зависимостью , где ν - скорость движения объекта носителя РЛС; λ - длина волны, пересекает ДНА под острым углом 10-30° к горизонтальной плоскости на уровне поверхности.
2. При фиксированном положении луча антенны принятый отраженный сигнал селектируется в i-x элементах разрешения по дальности .
j
3. В каждом i-м элементе дальности сигнал селектируется по доплеровской частоте f в j-x узкополосных фильтрах .
ij
4. На основе сигнала, отселектированного в i-м элементе дальности и j-м фильтре доплеровских частот измеряется азимут φ, i,j-го элемента поверхности моноимпульсным методом (например, [3, с.424]).
ij
i
j
ij
5. Для измеренного значения азимута φ и известных значений дальности R, и доплеровского угла α вычисляется угол места θ и высота H(i,j) i,j-го элемента поверхности по формулам
, ,
где ,
i
ij
ij
R - наклонная дальность до i-го элемента разрешения, h - высота полета носителя, углы φ и θ отсчитываются в положительном направлении: φ - против часовой стрелки от направления движения носителя, θ - по часовой стрелке от горизонтальной плоскости движения носителя.
6. Совокупность амплитуд A(i,j) и высот H(i,j), , , запомненных в матрицах А и Н, представляет трехмерное изображение поверхности, которое передается на алгоритмы индикации.
ij
ij
j
Расчет точности измерения высоты предложенным способом сводится к следующему. Связь углов φ, θ и α устанавливается по формуле [1, 8]:
которая при заданном α описывает линию ДЭР в системе угловых координатах φ, θ носителя РЛС. Из (1) следует
где θ∈[0,90°], α∈[0°,90°], φ∈(-90°,90°).
Угловой коэффициент k, равный тангенсу угла наклона касательной, проведенной к линии ДЭР в точке (φ,θ), вычисляется взятием производной от (2) по φ:
0
0
причем коэффициент k можно рассчитать только для центра (φ,θ) ДНА и в пределах узкой ДНА (например, 1°×1,5°) считать практически постоянным.
θ
φ
Предельная абсолютная погрешность Δ измерения θ связана с абсолютной погрешностью Δ измерения φ линейной зависимостью
,
а погрешность измерения высоты
.
Следовательно, при k=0,3-0,5, что соответствует наклону линий ДЭР в ДНА примерно в 20-30° при выборе соответствующих значений α и φ, точность измерения угла места будет в 2-3 раза выше точности измерения азимута, чем и достигается эффект повышения точности измерения высоты по сравнению с вертикальным расположением линий ДЭР. Выбор значений k определяется характером поверхности. Для ровной горизонтальной поверхности (например, взлетно-посадочного поля) k может быть меньше 0,3, а эффект повышения точности при этом - более чем в 3 раза.
Пример. Пусть при α=60° измеряется моноимпульсным методом значение азимута φ=-20°. Тогда значение угла места вычисляется по формуле (2) и составляет θ=57,85°, а высота элемента поверхности Н=h-0,847R. При этом k=0,23 и достигается эффект повышения точности измерения угла места и точности измерения относительной высоты h-Н (в сравнении с k=1) примерно в 4 раза.
Предложенный способ измерения высоты и формирования трехмерного изображения поверхности в режиме маловысотного полета использует доплеровскую информацию для рассечения ДНА на более узкие пространственно-протяженные элементы разрешения под заданным острым углом к поверхности, что в сочетании с моноимпульсным методом измерения азимута элемента поверхности позволяет повысить в несколько раз точность определения высоты поверхности и сформировать трехмерное изображение поверхности. Это повышает безопасность маловысотных полетов и эффективность выполнения летчиком поставленных задач в условиях отсутствия оптической видимости.
Литература
1. Патент RU 2299448 С2. Способ получения трехмерного изображения поверхности по данным бортовой РЛС маловысотного полета / В.К.Клочко. МПК G01S 13/02, 13/72. Приоритет 26.07.2005. Опубл.: 20.05.2007. Бюл. №14.
2. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов / Под ред. Г.С.Кондратенкова. М.: Радиотехника, 2005. - 368 с.
3. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. М.: Радио и связь, 1984. - 312 с.
4. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1983. - 536 с.
5. Радиолокационные системы. Информационные основы боевых действий многофункциональных самолетов. Системы и алгоритмы первичной обработки радиолокационных сигналов / Под ред. А.И.Канащенкова и В.И.Меркулова. М.: Радиотехника, 2006. - 655 с.
6. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение в передней зоне обзора бортовой радиолокационной станции с синтезированной апертурой антенны / Радиотехника, 2004, №1. С.47-49.
7. Колчинский В.Е., Мандуровский И.А., Константиновский М.И. Автономные доплеровские устройства и системы навигации летательных аппаратов / Под ред. В.Е.Колчинского. М.: Сов. радио, 1975. - 432 с.
8. Клочко В.К. Методика определения координат доплеровских элементов разрешения при получении трехмерных изображений поверхности // Автометрия. 2002. №6. С.12-20.