Способ определения дальности до поверхности земли

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при построении различных радиолокационных систем, предназначенных для определения дальности от движущегося объекта до поверхности земли, использующих принцип отражения радиоволн.

Известен способ определения дальности до поверхности земли [1], применяемый в радиовысотомерах, заключающийся в излучении зондирующих сигналов в направлении поверхности земли, в качестве которых используют радиоимпульсы с периодической фазокодовой внутриимпульсной манипуляцией.

Реализация способа [1] заключается в следующем.

Излучают в направлении поверхности земли зондирующие сигналы на постоянной несущей частоте ƒ_н.

Используют в качестве зондирующих сигналов радиоимпульсы с периодической фазокодовой манипуляцией.

Определяют параметры радиоимпульсов, исходя из требований:

- радиоимпульсы должны иметь постоянные длительность t_и, и период повторения T_п;

Реализуют фазокодовую манипуляцию модулированием М-последовательностями начальных фаз радиоимпульсов, принимающих одно из двух значений 0 или π.

Принимают сигналы, отраженные от поверхности земли.

Проводят согласованную фильтрацию отраженных сигналов с использованием в качестве весовых коэффициентов кодов, формирующих модулирующие М-последовательности.

Определяют дальность до поверхности земли.

Способ [1] имеет ряд недостатков.

В способе [1] согласованную фильтрацию отраженных сигналов при определении дальности от движущегося объекта до поверхности земли проводят в течение времени, которое необходимо на формирование одного полного периода зондирующих сигналов - сигналов, промодулированных одной М-последовательностью. То есть обработка отраженных сигналов при определении одного значения дальности до поверхности земли производится в течение времени, необходимого для приема одного полного периода зондирующих сигналов, который при больших дальностях до поверхности земли может составлять сотни радиоимпульсов.

Недостатком способа [1] является низкая скрытность работы при определении дальности до поверхности земли, т.к. в способе [1] зондирующие сигналы излучают на постоянной несущей частоте ƒ_н.

Недостатком способа [1] также является то, что в способе [1] предъявляются высокие требования к стабильности фазы зондирующих сигналов за время полного периода зондирующих сигналов, а при обработке отраженных сигналов необходимо учитывать влияние эффекта Доплера за время полного периода зондирующих сигналов.

Известен способ определения дальности до поверхности земли [2], выбранный за прототип, применяемый в радиовысотомерах, заключающийся в излучении зондирующих сигналов в направлении поверхности земли, в качестве которых используют радиоимпульсы с непериодической фазокодовой внутриимпульсной манипуляцией.

Реализация способа [2] заключается в следующем.

Задают диапазон определяемых дальностей.

Используют в качестве зондирующих сигналов радиоимпульсы с непериодической фазокодовой внутриимпульсной манипуляцией.

Определяют параметры радиоимпульсов исходя из требований:

- радиоимпульсы должны иметь постоянные длительность t_и, и период повторения Т_п;

- радиоимпульсы должны состоять из N монохроматических субимпульсов длительностью τ, где N - постоянная величина;

- максимальная длительность радиоимпульсов t_и должна быть ограничена временем распространения сигнала от нижней границы диапазона определяемых дальностей до поверхности земли и обратно.

Реализуют фазокодовую внутриимпульсную манипуляцию модулированием М-последовательностями начальных фаз субимпульсов, принимающих одно из двух значений 0 или π.

Излучают в направлении поверхности земли зондирующие сигналы на постоянной несущей частоте ƒ_н.

Принимают сигналы, отраженные от поверхности земли.

Проводят согласованную фильтрацию отраженных сигналов с использованием в качестве весовых коэффициентов кодов, формирующих модулирующие М-последовательности.

Определяют дальность до поверхности земли.

Недостатком способа [2] является низкая скрытность работы при определении дальности до поверхности земли.

В способе [2] зондирующие сигналы излучают на постоянной несущей частоте ƒ_н.

В способе [2] радиоимпульсы имеют постоянные длительность t_и и количество N монохроматических субимпульсов длительностью τ, что требует увеличения уровня мощности излучаемых радиоимпульсов при определении дальности до поверхности земли вблизи верхней границы диапазона определяемых дальностей.

Излучение зондирующих сигналов на постоянной несущей частоте с большим уровнем пиковой мощности излучаемых радиоимпульсов приводит к снижению скрытности работы при определении дальности до поверхности земли.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение скрытности работы при определении дальности до поверхности земли.

Технический результат достигается тем, что в способе определения дальности до поверхности земли, заключающемся в излучении зондирующих сигналов в направлении поверхности земли, использовании в качестве зондирующих сигналов радиоимпульсов, имеющих несущую частоту ƒ_н, длительность t_и, период повторения Т_п, и состоящих из N монохроматических субимпульсов длительностью τ, с непериодической фазокодовой внутриимпульсной манипуляцией, которую реализуют модулированием М-последовательностями начальных фаз субимпульсов, принимающих одно из двух значений 0 или π, приеме сигналов, отраженных от поверхности земли, проведении согласованной фильтрации отраженных сигналов с использованием в качестве весовых коэффициентов кодов, формирующих модулирующие М-последовательности и определении дальности до поверхности земли производят перестройку несущей частоты ƒ_н радиоимпульсов от радиоимпульса к радиоимпульсу по случайному равновероятному закону в каждом периоде повторения и изменяют от радиоимпульса к радиоимпульсу период повторения радиоимпульсов, длительность радиоимпульсов и количество монохроматических субимпульсов, причем длительность t_иi радиоимпульсов в i-м периоде повторения радиоимпульсов определяют как разность между временем распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для дальности, определенной в (i-1)-м периоде и первой временной константой, определяемой условиями определения дальности до поверхности земли; количество N_i монохроматических субимпульсов в i-м радиоимпульсе определяют как отношение длительности радиоимпульса в i-м периоде повторения к длительности монохроматических субимпульсов (постоянная величина) с округлением до ближайшего целого в меньшую сторону; а значение периода повторения T_пi для i-го радиоимпульса определяют как разность между временем распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для дальности, определенной в (i-1)-м периоде и второй временной константой, определяемой временем, необходимым на перестройку несущей частоты от радиоимпульса к радиоимпульсу в каждом периоде повторения по случайному равновероятному закону в заданном диапазоне частот и временем, необходимым на прием сигналов, отраженных от поверхности земли в заданном секторе углов.

Способ определения дальности до поверхности земли реализуется следующим образом.

Задают диапазон определяемых дальностей.

Используют в качестве зондирующих сигналов радиоимпульсы с непериодической фазокодовой внутриимпульсной манипуляцией.

Реализуют фазокодовую внутриимпульсную манипуляцию модулированием М-последовательностями начальных фаз субимпульсов, принимающих одно из двух значений 0 или π.

Определяют параметры радиоимпульсов, исходя из требований:

- длительность t_иi радиоимпульсов должна быть максимальной;

- количество N_i монохроматических субимпульсов длительностью τ в излучаемых радиоимпульсах должно быть максимальным;

- период повторения T_пi радиоимпульсов должен обеспечивать однозначность определения дальностей до поверхности земли.

- при определении дальности до поверхности земли изменение параметров радиоимпульсов длительности t_иi, количества N_i монохроматических субимпульсов и периода повторения T_пi должно обеспечивать минимальный уровень пиковой мощности излучаемых радиоимпульсов при определении дальности до поверхности земли во всем диапазоне определяемых дальностей.

Излучают в направлении поверхности земли зондирующие сигналы на перестраиваемой от радиоимпульса к радиоимпульсу несущей частоте ƒ_нi.

Перестройку несущей частоты ƒ_нi производят в каждом периоде повторения по случайному (равновероятному) закону в заданном диапазоне частот. Несущая частота ƒ_нi для каждого i-го радиоимпульса постоянна.

Принимают сигналы, отраженные от поверхности земли.

Проводят согласованную фильтрацию отраженных сигналов с использованием в качестве весовых коэффициентов кодов, формирующих модулирующие М-последовательности.

Определяют дальность до поверхности земли.

Рассмотрим более подробно определение параметров радиоимпульсов: определение переменных значений длительности t_иi, количества N_i монохроматических субимпульсов длительностью τ и периода повторения T_иi радиоимпульсов.

Длительность t_иi, количество N_i монохроматических субимпульсов и период повторения T_пi радиоимпульсов в i-м периоде повторения радиоимпульсов определяют в зависимости от дальности до поверхности земли, определенной в (i-1)-м периоде повторения (в предыдущем периоде повторения).

В начале работы за дальность до поверхности земли, определенную в (i-1)-м периоде повторения, может быть принята дальность до поверхности земли, определенная с помощью иных средств измерений.

Время распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для дальности, определенной в (i-1)-м периоде, равно:

t_pc(i-1)=2R_(i-1)/c,

где R_(i-1) - дальность до поверхности земли, определенная в (i-1)-м периоде повторения;

с - скорость распространения электромагнитных волн.

Значение длительности t_иi радиоимпульса в i-м периоде повторения определяют:

t_иi t_pc(i-1)-t_const1,

где t_const1=t_мз+t_пи+t_ив+t_вc - первая временная константа, определяемая условиями определения дальности до поверхности земли;

t_мз - время, определяемое величиной «мертвой» зоны приемника измерителя дальности при измерении дальности;

t_пи - время, определяемое погрешностью измерения дальности измерителя дальности;

t_ив - время, определяемое максимальным изменением высоты рельефа поверхности земли за один период повторения радиоимпульсов;

t_вc - время, определяемое изменением дальности до поверхности земли за один период повторения радиоимпульсов при наличии вертикальной скорости движения движущегося объекта.

Количество N_i монохроматических субимпульсов в i-м радиоимпульсе определяют:

где ⎣ ⎦ - округление до ближайшего целого в меньшую сторону;

t_иi - длительность радиоимпульса в i-м периоде повторения;

τ - длительность монохроматических субимпульсов (постоянная величина).

Значение периода повторения T_пi для i-го радиоимпульса определяют:

T_пi=t_pc(i-1)+t_иi+t_const2,

где t_const2=t_пер+t_изм,

t_const - вторая временная константа;

t_пер - время, необходимое на перестройку несущей частоты от радиоимпульса к радиоимпульсу в каждом периоде повторения по случайному (равновероятному) закону в заданном диапазоне частот;

t_изм - время, необходимое на прием сигналов, отраженных от поверхности земли в заданном секторе углов.

Данный способ определения дальности до поверхности земли имеет существенные отличия от прототипа, поскольку обеспечивается повышение скрытности работы при определении дальности до поверхности земли за счет:

- перестройки несущей частоты радиоимпульсов от радиоимпульса к радиоимпульсу по случайному равновероятному закону;

- снижения уровня пиковой мощности излучаемых радиоимпульсов, которое обусловлено двумя факторами.

1. Значение длительности t_иi радиоимпульса в i-м периоде повторения - величина переменная и определяется дальностью до поверхности земли, измеренной в предыдущем периоде измерений (временем распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для дальности, определенной в предыдущем периоде). Это позволяет изменять количество N_i, монохроматических субимпульсов длительностью τ в излучаемых радиоимпульсах, увеличивая их количество при увеличении измеряемой дальности, и тем самым не требовать увеличения уровня мощности излучаемых радиоимпульсов при определении дальности до поверхности земли вблизи верхней границы диапазона определяемых дальностей. Так, N_i может составлять единицы при малых дальностях и сотни - при больших дальностях. При этом выигрыш в отношении сигнал/шум за счет когерентной обработки может составить десятки децибел.

2. Значение периода повторения T_пi для i-го радиоимпульса - величина переменная и определяется значением длительности t_иi радиоимпульса в i-м периоде повторения, временем распространения сигнала от движущегося объекта до поверхности земли и обратно для дальности, определенной в предыдущем периоде и константой, значение которой в основном определяется временем, необходимым на перестройку несущей частоты от радиоимпульса к радиоимпульсу в каждом периоде повторения. Это позволяет изменять значение периода повторения T_пi для i-го радиоимпульса, обеспечивая однозначность измерения дальности до поверхности земли. Необходимо отметить, что наличие константы приводит к тому, что скважность радиоимпульсов является переменной и уменьшается при увеличении измеряемой дальности, тем самым увеличивая среднюю мощность излучаемых радиоимпульсов. Так, скважность радиоимпульсов может составлять единицы при больших дальностях и сотни (и даже тысячи) - при малых дальностях.

Данный способ определения дальности до поверхности земли имеет дополнительные существенные отличия от аналога.

Так, в предлагаемом способе по сравнению с аналогом предъявляются более низкие требования к стабильности фазы зондирующих сигналов. Стабильность фазы зондирующих сигналов требуется не за время полного периода зондирующих сигналов, а лишь за время, соответствующее времени излучения данного радиоимпульса. А эффект Доплера практически не оказывает влияния при обработке отраженных сигналов, т.к. осуществляется перестройка несущей частоты радиоимпульсов от радиоимпульса к радиоимпульсу по случайному равновероятному закону.

Таким образом, данный способ определения дальности до поверхности земли имеет существенные отличия от известных способов определения дальности, поскольку обеспечивается повышение скрытности работы при определении дальности до поверхности земли.

Источники информации

1. Ю.В. Опаленов, А.А. Потапов, С.Ю. Федюнин. Радиофизический измерительный комплекс со сложным ФМ сигналом в диапазоне миллиметровых волн, Радиотехника, 1991 г., №11, стр. 67-70.

2. В.И. Вербицкий, Н.Н. Калмыков, С.А. Мельников, В.В. Соловьев, А.С. Рыжков. Радиовысотомер больших высот с ФКМ сигналом, Сборник трудов Третьей Всероссийской научно-технической конференции «Радиовысотометрия-2010», Каменск-Уральский, 2010 г., стр. 206-210 (прототип).