METHOD FOR FORMING AND PROCESSING RADAR SIGNALS IN PULSED-DOPLER METEOROLOGICAL RADAR
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ И ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ В ИМПУЛЬСНО-ДОПЛЕРОВСКОЙ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ РЛС

Изобретение относится к радиолокационной метеорологии, в частности, к формированию сигналов импульсно-доплеровских РЛС, предназначенных для построения высотного профиля вектора скорости и других параметров ветра, так называемых профилографов ветра [1, с. 981; 6], а также для реализации соответствующих режимов универсальных метеорологических РЛС. Профилографы ветра необходимы для обеспечения безопасности на аэродромах, космодромах, при десантировании, а также востребованы в ракетных, артиллерийских и в других родах войск.
При проектировании профилографов ветра, предназначенных для указанных применений, необходимо учитывать следующие типовые требования [1, с. 981; 6; 9]:
1) большой диапазон измерений радиальной скорости ветра до ±50 м/с в каждом элементе разрешения по дальности;
мак
2) большая дальность дистанционного измерения скорости ветра. Типичное требование к максимальной дальности при наклоне луча 45° не менее D=20 км и соответственно 14 км по высоте. Выше этой высоты эхо-сигнал в рассматриваемых профилографах ветра_ практически не наблюдается по причине очень слабого переотражения;
3) большая (более 55 дБ) развязка между отдельными элементами разрешения по дальности;
4) малая минимальная дальность измерения скорости ветра порядка 100 м;
5) высокие разрешения по дальности (ширина канала дальности порядка δR=60 м) и скорости порядка δV=0,25 м, что должно обеспечивать возможность измерения ширины спектра ветра;
6) ограничение общего времени измерений несколькими секундами;
7) минимизация «слепых» зон по дальности;
8) малая скважность импульсов, обеспечивающая возможность использовать современные твердотельные передатчики.
В общем комплексе данные требования являются противоречивыми, в частности требования 1 и 2, 2 и 4, 4 и 5, 6 и 7.
мак
мак
Противоречивость требований 1 и 2 обусловлена тем, что в одной пачке однозначные максимальная дальность R и максимальная радиальная скорость V, с учетом знака, связаны между собой известной обратной зависимостью [2, с. 160].
где λ - длина волны; с - скорость света.
Для приведенных типовых требований условие (1) не выполняется при λ<3,3 см, т.е. для короткого сантиметрового и миллиметрового диапазонов, которые в настоящее время признаны наиболее перспективными для малогабаритных РЛС - профилографов ветра, предназначенных для рассматриваемых выше применений[6].
Для разрешения данного противоречия известны ряд способов, которые принимаются за аналоги.
мак
Известен способ, в котором в двух пачках выбирают разные длинные периоды импульсов Т1 и Т2, оба из которых обеспечивают однозначность измерения дальности T1 > Т2 ≥ 2D/c и совместно позволяющие в каждом элементе разрешения дальности разрешать в требуемых пределах неоднозначность по радиальной скорости. Данный способ, в основном, применяется в профилографах предыдущих поколений на базе электровакуумных передатчиков, работающих с простым сигналом и большой скважностью порядка несколько сотен и более [6]. В современных профилографах на базе твердотельных передатчиков этот способ требует использования сложного сигнала с большой длительностью. Это противоречит требованию 4 к профилографам - малой минимальной дальности и, главное, приводит к необходимости создания уникальных сложных сигналов [8] с нелинейной частотной модуляцией (НЧМ). Такие метеорологические РЛС для удовлетворения требования 3 должны иметь, по сравнению с типовыми РЛС обнаружения целей, очень малый уровень боковых лепестков по дальности (меньше -55 дБ), что, в том числе, требует большой полосы приемника, приводящей к повышенному уровню внутренних шумов [2, с. 167].
Известен способ, в котором используют одну пачку, в которой выбирают период импульсов
обеспечивающий требуемый диапазон однозначного измерения радиальной скорости. При этом для обеспечения развязки получившихся
k
k-n
периодов неоднозначности по дальности в каждом k -том зондирующем импульсе случайным образом модулируется начальная фаза ϕ, которая запоминается для N предыдущих импульсов ϕ., n=0,1…N-1. При приеме производят согласованную фильтрацию эхо-сигналов с получением комплексных отсчетов с периодом, соответствующим ширине канала дальности. Для метеорологических РЛС ширину канала дальности обычно принимают равной требуемому разрешению по дальности SR. Эти отсчеты распределяются по
k-n
каналам дальности, отсчитываемых от предыдущего зондирующего импульса, и умножают на exp (-j*ϕ), n=0,1…N-1; [х] - целая часть х. В результате после приема эхо-сигналов от всей пачки К зондирующих импульсов получают (N*M) комплексных последовательностей длиной К каждая, по которым далее определяют спектры скоростей ветра в каждом элементе дальности. Дальность каждого элемента равна
Недостатком данного способа является повышение уровня шума в каждом элементе дальности из-за наложения в нем некогерентных сигналов от «не своих» периодов неоднозначности по дальности. Эта некогерентность вызвана случайными фазами зондирующих импульсов. Согласно [3] даже при пачке К=4000 импульсов подавление сигналов от «не своих» периодов дальности будет не более 11 ⋅ lg(К)=40 дБ, что не удовлетворяет требованию 3 к профилографам. Кроме того, данный метод требует повышенной сложности обработки с вычислением (N*M) спектров [2, с. 164].
Известен способ, использующий чередование обзоров с двумя частотами повторения импульсов: низкой и высокой. При низкой частоте, которая обеспечивает однозначное определение дальности, измеряют доплеровский спектр обратного рассеивания сигнала вдоль всей трассы распространения, соответствующий неоднозначной скорости ветра. Затем на высокой частоте повторения, которая обеспечивает однозначность измеряемой скорости рассеивателей, измеряют суммарные доплеровские спектры обратного рассеивания сигналов, полученных одновременно с нескольких дальностей, а по корреляции между параметрами доплеровских спектров вдоль трассы и суммарными доплеровскими спектрами определяют проекции скорости рассеивателей на всех дальностях [4].
Известен аналогичный корреляционный способ, где при низкой частоте повторения вместо спектра вдоль трассы измеряют отражаемость сигнала [2, с. 172]. Общим недостатком таких корреляционных способов является возможность появления ошибок при интерпретации результатов, т.к. определяют корреляцию между процессами, имеющими различный масштаб, различное расположение «слепых» зон по дальности и, возможно, сам вид. Это относится к суммарным спектрам, соответствующим однозначной и неоднозначной скорости ветра [4], а также к суммарным спектрам однозначной скорости и отражаемости [2, с. 172]. Реально этот способ [4] применим только при небольшом числе периодов по дальности. В отличие от этого, как будет показано ниже, в профилографе, удовлетворяющем всем приведенным выше требованиям, число периодов дальности должно быть несколько десятков.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ формирования и обработки радиолокационного сигнала в импульсно-доплеровских радиолокационных станциях путем излучения импульсных сигналов с модуляцией начальной фазы ϕ[k] импульсов в пачке по квадратичному закону:
мак
где k-порядковый номер импульса в пачке (k=0,1…К-1), где К - число импульсов в пачке, равное числу номеров отсчетов спектра; N - число периодов дальности; μ≤1 - постоянный коэффициент, определяющими приращение начальной фазы между соседними импульсами (далее коэффициент фазы μ) [5], в котором используют высокую частоту повторения F=1/T, при которой дальность работы РЛС R разбивают на N периодов неоднозначности
Обработку сигналов производят отдельно в каждом m=1,2,…М-1; (M=[ΔR/δR]) канале дальности с шагом δR. Поэтому при приеме в каждом m-ном канале дальности физически суммируются эхо-сигналы от каналов дальности, имеющих такой же номер m и принадлежащих всем N периодам неоднозначности по дальности.
При приеме эхо-сигнала производят коррекцию их фазы, осуществляя поправку, которая равна изменению начальной фазы при излучении предыдущего зондирующего импульса, но противоположна по знаку. Далее в каждом канале дальности производят когерентное накопление сигнала и вычисление частотного спектра. Отсюда временная последовательность принимаемого сигнала пачки от всех N периодов неоднозначности по дальности после коррекции фаз имеет вид
где  - последовательность принимаемого в канале дальности m сигнала пачки от n-ного периода неоднозначности по дальности с учетом модуляции начальной фазы зондирующих импульсов;  - последовательность сигнала пачки от n-ного периода неоднозначности по дальности в канале дальности m без учета модуляции начальной фазы зондирующих импульсов, зависящая только от отражаемости и скорости ветра на этой дальности; С учетом (6) получаем
Фурье-спектр измеренной последовательности  с учетом известных свойств ДПФ линейности и смещения в области частот [7, с. 632] равен
- ν - спектральные отсчеты (бины) спектра
- ω [k] - весовое окно Дольфа-Чебышева или другое, обеспечивающее подавление более 55 дБ сигнала на «не своих» частотах (требование 3 к профилографам);
-  - искомый спектр скорости ветра на n-ном периоде неоднозначности по дальности без учета модуляции начальной фазы, зависящий только от отражаемости и скорости ветра на этой дальности.
Из формулы (9) видно, что спектральный отсчет ν0n(μ) становится нулевой линией спектральных отсчетов спектра сигнала от n-ого периода неоднозначности по дальности. Согласно (10) шаг между нулевыми линиями отсчетов спектров соседних периодов неоднозначности по дальности зависит от коэффициента μ и составляет dν спектральных отсчетов (бинов)
Цена одного спектрального отсчета (бина) δV в м/с, соответствующая разрешению по скорости, не зависит от коэффициента фазы μ, но зависит от периода импульсов Т.
где ΔV(T) - период неоднозначности по скорости.
Шаг между нулевыми линиями отсчетов спектров, измеряемый в м/с, равен
Важно отметить, что шаг dV(μ) зависит только от μ и не зависит от периода импульсов Т, что позволяет выбирать период импульсов в зависимости от других требований: разрешения по дальности, скважности и др.
Полученный спектр  представлен на фиг 2, где показаны участки спектра, в пределах которых однозначно с учетом знака измеряется скорость ветра в каждом периоде неоднозначности по дальности. Поэтому в прототипе, в котором используется только одна пачка, максимальный диапазон однозначного измерения скорости ветра равен
прт
Как показано выше (1), значение диапазона измерения скорости ветра DV при способе [5], взятом за прототип, в коротком сантиметровом и, особенно, в миллиметровом диапазоне волн существенно меньше, чем требуемый максимально возможный диапазон скорости ветра. Это является основным недостатком прототипа.
Перед авторами стояла задача разработки способа устранения неоднозначности измерений скорости ветра в полном ее диапазоне изменения согласно требованию 1 к профилографам по двум пачкам при высокой частоте повторения импульсов, без изменения несущей частоты и периодов зондирующих импульсов, что позволит не увеличить «слепые» зоны по дальности согласно требованию 7 к профилографу.
Задача решена за счет того, что в способе формирования и обработки радиолокационных сигналов в импульсно-доплеровской метеорологической РЛС, при котором при передаче производят излучение зондирующих сигналов с высокой частотой повторения и поимпульсным изменением начальной фазы зондирующих импульсов по закону  где k - порядковый номер импульса в пачке; N - число периодов неоднозначности по дальности; μ≤1 - постоянный коэффициент, определяющий приращение начальной фазы, а при приеме эхо-сигналов производят коррекцию их фазы, осуществляя поправку, которая равна изменению начальной фазы при излучении предыдущего зондирующего импульса, но противоположна по знаку, далее в каждом канале дальности производят когерентное накопление сигнала и вычисление частотного спектра, в одном направлении посылают серию из пар пачек импульсов с высокой частотой повторения и поимпульсной модуляцией начальной фазы импульсов по квадратичному закону, с различными для четной и нечетной пачек коэффициентами μ, а при приеме каждой из таких пачек в каждом канале дальности производят когерентное накопление сигнала и вычисление частотного спектра и периодограммы, а после приема всех пачек производят отдельно для четных и нечетных пачек усреднение периодограмм, в результате которого получают два энергетических спектра, соответствующих двум значениям коэффициента μ, в которых масштаб спектров по частоте одинаков, но каждый из эхо-сигналов, отраженных от соответствующего интервала неоднозначности по дальности, получает смещение по частоте, пропорциональное коэффициенту μ и номеру интервала неоднозначности по дальности, после чего в каждом из этих двух спектров выделяют интервалы, соответствующие каждому периоду неоднозначности по дальности, величина которых равна возможному диапазону скорости ветра, на каждом из этих интервалов определяют локальные максимумы, которые превышают среднее значение интервала спектра в пороговое число раз, и для каждого интервала неоднозначности по дальности выделяют в обоих спектрах те локальные максимумы, которые с точностью до ошибок измерения и с учетом указанных смещений совпадают по скорости у двух спектров, после чего скорости этих выделенных максимумов усредняют, получая таким образом измерения скорости ветра в каждом элементе дальности.
Каждый полученный спектр является суммой спектров эхо-сигналов от соответствующих элементов дальности, принадлежащих всем периодам неоднозначности по дальности, сдвинутых относительно друг друга с шагом по частоте dV(μ), зависящим от значения коэффициента μ. С учетом этого в каждом из полученной пары энергетических спектров выделяют интервалы спектров, соответствующие полному возможному диапазону скоростей ветра и относящиеся к каждому периоду неоднозначности по дальности, определяют на них локальные максимумы, величина которых относительно среднего значения спектра на этом участке больше порогового значения.
Далее, учитывая то, что цена одного отсчета спектров δV не зависит от μ, выделенные интервалы обоих спектров этой пары пачек, относящихся к одинаковым периодам неоднозначности по дальности, совмещают по частоте для компенсации указанного сдвига и выделяют пары локальных максимумов, которые с точностью до ошибок измерения скорости ветра совпадают (отождествляются) по частоте (скорости). Окончательно за первичное значение скорости ветра на данном элементе дальности принимается усредненное значение пары скоростей, соответствующих этим отождествленным локальным максимумам (если таких пар несколько, то принимается пара с максимальным значением суммы отсчетов спектров).
изо
Диапазон однозначно измеряемой скорости DV в м/с в предлагаемом изобретении с учетом максимально возможных ошибок измерения скорости ZV ветра должен удовлетворять следующей системе соотношений
изо
где к1 (k2) - целое число шагов величиной dν1 (dν2), соответствующих однозначному диапазону измеряемой скорости DV; zν - максимальная ошибка измерения скорости, выраженная в спектральных отсчетах.
Решая эту систему, получаем
Из сравнения (13, 14) и (16, 17) видно, что в предлагаемом изобретении за счет посылки дополнительной пачки увеличивается диапазон однозначных измерений по скорости DV не менее чем в h раз без изменения несущей частоты и периода импульсов
Сущность изобретения поясняется с помощью схем, где
- на фиг. 1 представлена временная t и дальностная R циклограмма работы, где
и
мак
k=0,1..K-1 - номера зондирующих импульсов в пачке; m=1,2..М-1 - номера каналов дальности; n=0,1…N-1 - номера периодов неоднозначности по дальности; Т - период зондирующих импульсов; t - длительность зондирующего импульса; ΔR - период неоднозначности по дальности; δR - разрешение по дальности; R - максимальная дальность приема сигнала;
n
- на фиг. 2 - интервалы измерений однозначных спектров сигналов, приходящих от n=0,1..N-1 периодов по дальности, по способу, предлагаемому в прототипе, где ν0 - смещение нулевой линии отсчета спектра в спектральных отсчетах, соответствующее n-ному периоду неоднозначности по дальности; d - шаг между нулевыми линиями отсчета спектров, в спектральных отсчетах; K - число точек ДПФ (спектра); ΔV - период неоднозначности спектра принимаемого сигнала, м/с; δV - разрешение по скорости в м/с; DV - диапазон однозначных измерений скорости по методу прототипа в м/с;
изо
прт
- на фиг. 3 - диапазоны однозначных измерений скорости ветра, где dν1, dν2 - шаги между нулевыми линиями отсчета спектров в четных и нечетных пачках, в спектральных отсчетах(бин); к1 (k2) - число шагов величиной dν1 (dν2), соответствующих диапазону однозначно измеряемой скорости DV по предлагаемому способу; DV - диапазон измеряемой скорости по способу прототипа; zv (ZV) - максимальная ошибка измерений скорости в спектральных отсчетах (в м/с); μ - коэффициент фазы; δV - цена одного бина.
Заявляемый способ осуществляется по алгоритму разрешения неоднозначности по скорости в каждом m-ном канале дальности (m=1,2…М-1). Исходными данными алгоритма являются полученные энергетический спектр посылок с единичным значением параметра μ и энергетический спектр посылок с значением параметра μ<1 (общий индекс m опускаем).
n
n
Шаг 1. На энергетических спектрах сигналов обеих посылок определяют спектральные отсчеты, являющиеся точками нулевых отсчетов, соответствующих n-ному интервалу неоднозначности по дальности ν1.0=dν1 ⋅ n; ν2.0=dν2 ⋅ n; n=0,1…N-1.
Шаг 2. Относительно каждой точки нулевых отсчетов обеих спектров в обе стороны выделяется интервал гармоник, соответствующий возможному диапазону отсчетов спектра
n
мак
n
мак
мак
мак
мак
мак
(ν1.0±ν); (ν2.0±ν); n=0,1..N-1; ν=V/δV, где V - реально максимально возможная скорость ветра (согласно требованию 1 для профилографов V=50 м/с).
В случае, рассматриваемом в предлагаемом изобретении, на каждом спектре выделенные интервалы гармоник для различных п перекрываются.
1
2
1
2
Шаг 3. В спектре посылки 1 на каждом n-ном (n=0,1…N-1) выделенном интервале гармоник определяют множество отсчетов засечек M1n={ν1, ν1 …}, которые соответствуют засечкам, являющимися локальными максимумами амплитуд спектров, отношение которых к среднему значению спектра на этом участке больше порогового значения. В спектре посылки 2 аналогичным образом определяют множество отсчетов засечек M2n={ν2, ν2…}. Для некоторых интервалов п множества отсчетов М1т или (и) М2m могут быть пустые, т.к. соответствующий сигнал не обнаружен.
Шаг 4. В каждом спектре определяются множества возможных измерений однозначной скорости  относительно нулевых линий отсчета спектров на n-ном периоде неоднозначности
Шаг 5. Из каждой пары элементов, один из которых принадлежит множеству  а второй множеству  выделяют пара засечек, которые имеют минимальную разность возможных однозначных измерений скорости, меньшую удвоенной ошибки измерений скорости в спектральных единицах
Возможно, такой пары засечек на каком-либо интервале n вообще не будет. Тогда фиксируют пропуск измерения на m-том элементе дальности n-ного периода неоднозначности по дальности.
Шаг 6. Определяют однозначную скорость на m-ном канале дальности n-ного периода неоднозначности по дальности, т.е. для элемента дальности
Реализация алгоритма поясняется с помощью примеров.
Пример 1. Расчет параметров метеорологической РЛС, работающей в Ка диапазоне по предлагаемому способу приведен в табл. 1 и показан на фиг. 3. Основные требования к этой РЛС соответствуют реальным [1; 6; 9].
Из табл. 1 видно, что за счет использования предлагаемого в изобретении способа возможно построение профилографа Ка диапазона с твердотельным передатчиком, обеспечивающего при двух сериях пачек с разным коэффициентом фазы μ требуемый диапазон измерения скорости ветра в каждом канале дальности во всем диапазоне Rмак ее измерений, с минимальной долей «слепых» зон по дальности и при экстремальных условиях измерения.
Пример 2. Разрешение неоднозначности в метеорологической РЛС по примеру 1. Рассматривается канал дальности m=6, периоды неоднозначности по дальности n=0,1,2,3.
Из таблиц 2 и 3 видно, что предлагаемый алгоритм разрешает неоднозначность измерений и является достаточно простым.
Предлагаемый способ по сравнению с [2, с. 167] имеет следующее преимущество: использование коротких простых зондирующих импульсов и малой скважности, что требуется для выполнения комплекса выше приведенных требований 4, 5, 8 к профилографу. Эти возможности вытекают из свойства используемого метода межимпульсной модуляции, заключающегося в том, что согласно формуле (13) период неоднозначности по скорости dV, выраженный в м/с, не зависит от выбора периодов зондирующих импульсов Т.
В принципе возможно использовать самый применяемый способ [2, с. 167] и с двумя короткими разными периодами импульсов, которым соответствуют два разных числа периодов неоднозначности N, в сочетании с межимпульсной модуляцией начальной фазы импульсов по квадратичному закону. В этом случае согласно (11) также будут иметь место два разных шага смещения спектров dV1 и dV2. Однако при этом по отношению к предлагаемому способу в два раза увеличится число «слепых» зон по дальности и у сравниваемых спектров будет различные масштабы по частоте (скорости), что затруднит обработку и уменьшит точность измерений.
Предлагаемый способ по сравнению с [2, с. 164] имеет следующие преимущества: большее подавление сигналов от «не своих» периодов неоднозначности по дальности, удовлетворяющее требованию 3 к профилографу, существенно меньшее требуемое число вычислений БПФ (2 БПФ вместо N>>2 БПФ на один канал дальности).
Предлагаемый способ по сравнению с [4] имеет следующие преимущества: возможность иметь большое число периодов неоднозначности по дальности, одинаковый масштаб обрабатываемых совместно спектров или сигналов, что видно из формулы (12), минимальная доля «слепых» зон по дальности, соответствующей скважности. Последнее определяется тем, что период зондирующих импульсов Т в обеих используемых пачках одинаковый.
По сравнению со способом [5], взятым за прототип, предлагаемый способ позволяет увеличить диапазон однозначно измеряемой в каждом элементе дальности скорости ветра. Так, для рассматриваемого примера профилографа Ка диапазона увеличение диапазона измеряемой скорости ветра в 4 раза. Это позволило получить этот диапазон выше значения, соответствующего требованию 1 к профилографу.
В результате сравнения предлагаемого способа не только с известными аналогами и прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники, заявляемый способ обладает совокупностью существенных признаков, не известных из уровня техники для объектов подобного назначения, что, по мнению заявителя и авторов, позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для изобретения. Также заявляемый способ для разрешения неоднозначности измерений в импульсно-доплеровских метеорологических РЛС, по мнению заявителя и авторов, соответствует критерию «изобретательский уровень», т.к. для специалистов он явным образом не следует из уровня техники, т.е. не известен из доступных источников научной, технической и патентной информации на момент подачи заявки. Приведенные примеры использования предлагаемого способа показывают его соответствие критерию «промышленная применяемость».
Список используемых источников
1. Справочник по радиолокации. Кн. 2. Под ред. М.И. Сколника. М.:Техносфера, 2014.
2. Довиак Р., Зрич Д. Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения. Л.: Гидрометеоиздат, 1988.
3. Кострова Т.Г. Методы и устройства устранения неоднозначных измерений дальности в импульсных радиотехнических системах. Диссертация на соискание к.т.н., г. Владимир, ВГУ, 2007.
4. Способ снятия неоднозначности измерения дальности и скорости для импульсно-доплеровских систем. Патент РФ №2515253, МПК G01S 13/58, 2014 г.
5. Способ формирования и обработки радиолокационного сигнала в импульсно-доплеровских радиолокационных станциях. Патент РФ №2747504, МПК G01S 13/52, 2021 г.
6. Стерлядкин В.В., Ермилов Д.В., Калмыков В.М., Куликовский К.В. Измерения скорости ветра над сушей доплеровским профилографом с рабочим диапазоном 35ГГц. Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2021,Т57, №2, с. 245-258.
7. Опенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. М.:Техносфера, 2012.
8. Денисенков Д.А., Жуков В.Ю., Щукин Г.Г. Оптимизация условий наблюдения целей в современном метеорологическом радиолокаторе. Радиотехнические и телекоммуникационные системы, 2019, №1.
9. INNERNATIONFL CLOUD ATLAS Volume I. Secretariat of the Meteorological Organization -Geneva, 1975.