СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ В ИМПУЛЬСНО-ДОПЛЕРОВСКИХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЯХ

Изобретение относится к радиолокации, в частности к импульсно-доплеровским радиолокационным станциям (РЛС), использующим линейную частотную модуляцию несущей частоты и предназначенным для сопровождения по дальности и скорости летательных аппаратов (ЛА), наблюдаемых как на фоне свободного пространства, так и на фоне земли.

Известны следующие способы измерения дальности и способы устранения неоднозначности измерения дальности, которые решают задачу измерения дальности: это патенты RU 2145092 С1, 27.01.2000; RU 2010244 C1, 30.03.1994; US 5546088 A, 13.06.1996, EP 1043601 A1, 11.10.2000, WO 020633336 A1, 15.08.2002, 2237265 C1, 27.05.2003; RU 98104808 A, 27.01.2000, EP 0490423 A, 17.06.1992, US 4713664 A, 15.12.1987, FR 2709835 A, 17.03.1995, RU 2221258 C1, 01.10.2004 и др., основанные на приемах, позволяющих по изменяемым по определенному закону частотам повторения излучаемых радиоимпульсов или несущей частоты радиоимпульсов определять точные значения дальности до ЛА.

К недостаткам радиолокационных станций, использующих для измерения дальности приведенные выше способы, можно отнести следующие:

- невозможность измерения дальности до медленно летящих (имеющих малые скорости сближения), наблюдаемых на фоне земли, летательных аппаратов из-за того, что использование в РЛС упомянутых способов не позволяет выделять отраженные от ЛА радиосигналы на фоне мощных отражений от земли;

- невозможность разрешения летящих с одинаковыми скоростями ЛА в группе из-за сложности разрешения отраженных от них радиосигналов;

- значительные сложности при обнаружении и сопровождении ЛА, летящих над гладкой земной или морской поверхностью из-за сильного влияния антипода, вызывающего замирание отраженных от ЛА сигналов.

Из известных технических решений наиболее близким (прототипом) является способ измерения дальности до нескольких целей импульсно-доплеровскими РЛС со средней частотой повторения импульсов [патент RU 2221258 С1, 01.10.2004], состоящий в том, что:

- излучают радиоимпульсы с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) несущей частоты и принимают отраженные от ЛА и земли радиосигналы;

- обнаруживают отраженные от ЛА и земли радиосигналы многоканальным по времени запаздывания и доплеровской частоте приемным устройством с ЛЧМ гетеродином;

- измеряют и запоминают неоднозначные времена запаздывания и доплеровской частоты в тех каналах, где отраженные от ЛА радиосигналы были обнаружены;

- повторяют эти операции при том же значении частоты повторения импульсов (ЧПИ) с ЛЧМ несущей частоты, сначала с одним знаком приращения крутизны излучаемого ЛЧМ сигнала, а затем с противоположным знаком приращения крутизны излучаемого ЛЧМ сигнала, причем величины приращений крутизны излучаемых ЛЧМ сигналов устанавливают такими, чтобы суммарное изменение доплеровской частоты принимаемого сигнала при повторных измерениях не превышало ЧПИ с ЛЧМ несущей частоты за вычетом протяженности слепой зоны по доплеровской частоте даже для ЛА, находящихся на максимальной дальности, на которую рассчитана данная РЛС;

- по величине приращения частоты принятого сигнала грубо вычисляют однозначные значения дальностей до обнаруженных ЛА;

- по запомненным значениям неоднозначных времени запаздывания и доплеровской частоты точно вычисляют значения дальности до каждого обнаруженного ЛА.

Недостатки прототипа: невысокая точность измерения дальности из-за невысокой крутизны излучаемого ЛЧМ сигнала; невозможность измерения дальности до медленно летящих ЛА, наблюдаемых на фоне земли из-за того, что способ не обеспечивает выделение отраженных от ЛА радиосигналов на фоне мощных отражений от земли; невозможность разрешения летящих с одинаковыми скоростями ЛА в группе из-за низкого разрешения отраженных от них радиосигналов.

Таким образом, задачей изобретения является повышение точности измерения дальности до ЛА, наблюдаемых под любыми ракурсами на фоне земли, и разрешение ЛА, летящих в плотной группе с одинаковыми скоростями.

Поставленная задача достигается тем, что на первом этапе:

- излучают ЛЧМ радиоимпульсы с крутизной, обеспечивающей измерение однозначной дальности до ЛА с низкой точностью; принимают отраженные от ЛА и земли радиосигналы; измеряют значения частот принятых радиосигналов; измеряют значения однозначных дальностей до ЛА с точностью, определяемой крутизной ЛЧМ несущей частоты излученных радиоимпульсов;

- по измеренным значениям однозначных дальностей до обнаруженных ЛА определяют: значение частоты повторения излучаемых радиоимпульсов (ЧПИР), обеспечивающее попадание отраженных от ЛА радиосигналов в зоны прозрачности [Меркулов В.И., Канащенков А.И., Перов А.И. и др. Оценивание дальности и скорости в радиолокационных системах. 4.1. /Под ред. А.И.Канащенкова и В.И.Меркулова. - М.: Радиотехника, 2004, стр.293]; коэффициент неоднозначности для каждого обнаруженного ЛА, соответствующий определенной выше ЧПИР; значение интервала однозначной дальности, соответствующее определенной выше ЧПИР;

на втором этапе:

- излучают ЛЧМ радиоимпульсы с крутизной, обеспечивающей требуемое разрешение ЛА по дальности и скорости; принимают отраженные от ЛА и земли радиосигналы; измеряют значения частот принятых радиосигналов и, используя их, измеряют неоднозначные дальности до обнаруженных ЛА; по значениям неоднозначных дальностей, значениям коэффициентов неоднозначности и значению интервала однозначной дальности с высокой точностью определяют дальность до обнаруженных ЛА.

Согласно предлагаемому способу выполняют следующее:

- априори устанавливают расчетное значение крутизны S_о ЛЧМ несущей частоты излучаемых радиоимпульсов, обеспечивающее однозначное, но грубое (с низкой точностью) измерение дальности до любых, в пределах дальности действия РЛС, летательных аппаратов. Расчет крутизны S_o может быть выполнен по формуле:

где Δf_max - максимально возможный диапазон перестройки частоты в РЛС в течение времени излучения радиоимпульсов;

Д_max - дальность до максимально удаленного от РЛС обнаруживаемого ЛА;

c₀ - скорость света;

- и расчетное значение крутизны S_тр ЛЧМ несущей частоты излучаемых радиоимпульсов, обеспечивающее требуемое разрешение РЛС по дальности и скорости. Расчет крутизны S_тр может быть выполнен по формуле:

где Δf - полоса пропускания низкочастотного фильтра, определяющая требуемое разрешение РЛС по скорости;

ΔД - требуемое разрешение РЛС по дальности.

Значение крутизны S_тр ЛЧМ несущей частоты излучаемых радиоимпульсов, рассчитанное по формуле (2), приблизительно на порядок больше значения крутизны S_о, и поэтому при ее использовании не может быть обеспечено однозначное измерение дальности до обнаруживаемых ЛА; однако она дает возможность значительно повысить точность измерения дальности до ЛА при использовании ЛЧМ радиоимпульсов, дисперсия ошибок измерений которой определяется соотношением [Меркулов В.И., Канащенков А.И., Перов А.И. и др. Оценивание дальности и скорости в радиолокационных системах. Ч.1. /Под ред. А.И.Канащенкова и В.И. Меркулова. - М.: Радиотехника, 2004, стр.264]

где D_Д - дисперсия ошибок измерения дальности; D_f - дисперсия оценки доплеровского смещения частоты; с₀ - скорость света; S - крутизна ЛЧМ несущей частоты излучаемых радиоимпульсов.

- излучают радиоимпульсы с частотой повторения F_пи и ЛЧМ несущей частоты с крутизной S_о. На значение частоты повторения F_пи излучаемых радиоимпульсов способ не накладывает ограничений: она может быть любой - средней или высокой - из используемых в импульсно-доплеровских РЛС;

- принимают отраженные от ЛА и земли радиосигналы;

- измеряют частоты f_прi принятых радиосигналов;

- определяют однозначное значение дальности Д_oi до каждого i-го обнаруженного ЛА по значению частоты f_прi принятых радиосигналов и значению крутизны S_о ЛЧМ несущей частоты излученных радиоимпульсов любым из известных способов, например, в соответствии с уравнением:

где f₀ - начальное значение частоты излученных радиоимпульсов.

Для измерения однозначных значений дальностей Д_oi может быть применено использованное в прототипе многоканальное по времени запаздывания и доплеровской частоте приемное устройство с ЛЧМ гетеродином. Измерение однозначных дальностей в последнем случае будет обеспечено используемым в предлагаемом способе значением крутизны S_o ЛЧМ несущей частоты излучаемых радиоимпульсов, которое позволяет измерять однозначную дальность до всех ЛА, находящихся в зоне действия РЛС.

- определяют новое значение ЧПИР F_пи, обеспечивающее попадание отраженных от обнаруженных ЛА радиосигналов в зоны прозрачности, и значение коэффициента К_нi неоднозначности для каждого i-го обнаруженного ЛА, которое запоминают. Определение значений ЧПИР F_пи и коэффициента K_нi неоднозначности возможно любым из известных способов, например, приведенным в [патент RU №2219558, G 01 S 13/12, 27.03.2002] или в [Меркулов В.И., Канащенков А.И., Перов А.И. и др. Оценивание дальности и скорости в радиолокационных системах. Ч.1. /Под ред. А.И.Канащенкова и В.И.Меркулова. - М.: Радиотехника, 2004, стр.298]. В соответствии со способом, приведенным в литературе, значения коэффициента K_нi неоднозначности и ЧПИР F_пи можно найти следующим образом:

- используя найденное однозначное значение дальности Д_oi до каждого 1-го обнаруженного ЛА для каждого j-го, из всех возможных в РЛС, значения периода повторения Т_пj вычисляют относительную задержку принятого сигнала

где Θ_ij - относительная задержка принятого сигнала от i-го обнаруженного ЛА для j-го периода повторения T_пj;

- для каждого i-го обнаруженного ЛА вычисляют значение коэффициента К_нi неоднозначности по формуле

где запись int[·] означает операцию взятия целой части от числа, находящегося в квадратных скобках;

- задав неоднозначную относительную задержку Θ_0j условием, что сигнал от i-й цели должен попасть в определенную точку зоны прозрачности, например в его середину, для каждого j-го периода повторения T_пj вычисляют разность

при этом тот период повторения T_пj, для которого эта разность будет наименьшей, используют для вычисления ЧПИР по формуле

- находят значение интервала однозначной дальности ΔД_о=с₀/F_пи, соответствующее определенному выше значению ЧПИР F_пи. Значение интервала однозначной дальности ΔД_о запоминают;

- излучают ЛЧМ радиоимпульсы с новой ЧПИР F_пи и значением крутизны S_тр ЛЧМ несущей частоты излучаемых радиоимпульсов, обеспечивающим требуемое разрешение РЛС по дальности и скорости;

- принимают отраженные от ЛА и земли радиосигналы и измеряют частоты f_прi принятых радиосигналов;

- определяют неоднозначные значения дальности Д_нi до каждого i-го обнаруженного ЛА по значению частот f_прi принятых радиосигналов и значению крутизны S_тр ЛЧМ несущей частоты излученных радиоимпульсов. Определение значений неоднозначных дальностей Д_нi возможно любым из известных способов, например, в соответствии с уравнением:

для измерения неоднозначных значений дальностей Д_нi может быть применено использованное в прототипе многоканальное по времени запаздывания и доплеровской частоте приемное устройство с ЛЧМ гетеродином;

- находят однозначное значение дальности Д′_oi до каждого i-го обнаруженного ЛА по измеренным значениям неоднозначных дальностей Д_нi, значениям коэффициентов К_нi неоднозначности и значению интервала однозначной дальности ΔД_о по формуле:

Вычисленные по формулам (3) и (5) однозначные значения дальностей Д_oi и Д′_oi соответственно отличаются лишь точностью определения дальности до обнаруженных ЛА.

Для лучшего понимания предлагаемого способа как процесса выполнения действий над материальным объектом с помощью материальных средств и подтверждения возможности осуществления заявляемого изобретения на чертеже представлена структурная схема импульсно-доплеровской РЛС с реализованным в ней способом измерения дальности, где:

1 - антенна;

2 - антенный переключатель (АП);

3 - приемное устройство (ПРМ);

4 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

5 - бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ);

6 - запоминающее устройство (ЗУ);

7 - передающее устройство (ПРД);

8 - синхронизатор;

9 - гетеродин.

Антенна 1 подключена к АП 2, вход которого соединен с выходом ПРД 7, первый вход которого соединен с первым выходом синхронизатора 8. Выход АП 2 соединен с первым входом ПРМ 3, второй вход которого соединен с вторым выходом синхронизатора 8, вход которого соединен с первым выходом БЦВМ 5. Выход ПРМ 3 соединен с первым входом АЦП 4, выход которого соединен с первым входом БЦВМ 5, третий выход которой, являющийся одновременно ее третьим входом, соединен с первым входом, являющимся одновременно и первым выходом, ЗУ 6, через второй вход которого в него вводят исходные данные. Третий выход синхронизатора 8 соединен с вторым входом АЦП 4, а четвертый выход с вторыми входами гетеродина 9 и БЦВМ 5. Второй выход БЦВМ 5 соединен с первым входом гетеродина 9, выход которого соединен с вторым входом ПРД 7.

Приведенная в качестве примера реализации импульсно-доплеровская РЛС с реализованным в ней способом измерения дальности функционирует следующим образом.

Перед началом работы в ЗУ 6 от внешних систем вводят: N_чпир (от 3 до 5) значений ЧПИР F_пи, обеспечивающих заданный потенциал РЛС (при этом для обеспечения заданного потенциала РЛС ЧПИР таковы, что не обеспечивается однозначное измерение дальности); f₀ - начальное значение частоты излучаемых радиоимпульсов; c₀ - значение скорости света; Δf -значение полосы пропускания используемых в РЛС низкочастотных фильтров, определяющих разрешение РЛС по скорости; ΔД - значение разрешающей способности РЛС по дальности. Кроме того, по формулам (1) и (2) рассчитывают и вводят в ЗУ 6: S_о - значение крутизны ЛЧМ несущей частоты излучаемых радиоимпульсов, обеспечивающее однозначное, но грубое измерение дальности до расположенных в зоне действия РЛС летательных аппаратов; S_тр - значение крутизны ЛЧМ несущей частоты излучаемых радиоимпульсов, обеспечивающее требуемое разрешение РЛС по дальности и скорости.

БЦВМ 5, в зависимости от режима работы РЛС, считывает из ЗУ 6 одно из запомненных в нем значений ЧПИР F_пи, а также значение крутизны S_о ЛЧМ несущей частоты излучаемых радиоимпульсов, обеспечивающее однозначное измерение дальности. Значение ЧПИР F_пи БЦВМ 5 через первый выход выдает в синхронизатор 8, а значение крутизны S_o через второй выход - в гетеродин 9.

Синхронизатор 8 в соответствии с полученным значением ЧПИН F_пи формирует: импульсы запуска передатчика (ИЗП), которые через первый выход подает на первый вход ПРД 7; импульсы запирания приемника, которые через второй выход подает на второй вход ПРМ 3; импульсы начала излучения, которые через четвертый выход подает на вторые входы гетеродина 9 и БЦВМ 5; тактовые импульсы, которые через третий выход подает на второй вход АЦП 4.

Гетеродин 9 формирует линейно изменяющийся по частоте сигнал, который с его выхода поступает на второй вход ПРД 7.

ПРД 7, в соответствии с полученными ИЗП, формирует радиоимпульсы, модуляцию которых по частоте осуществляет сигналом гетеродина 9.

На процедуры формирования линейно изменяющегося по частоте сигнала и формирования ЛЧМ излучаемых радиоимпульсов заявленный способ не накладывает никаких ограничений, в силу чего в качестве гетеродина 9 и ПРД 7 могут использоваться гетеродины и ПРД современных БРЛС.

Сформированные ЛЧМ радиоимпульсы с выхода ПРД 7 через АП 2 поступают на антенну 1 и излучаются в пространство.

Отраженные от ЛА и земли радиосигналы принимаются антенной 1 и, после усиления в ней, через АП 2 поступают на вход ПРМ 3, который осуществляет их селекцию, усиление и преобразование на промежуточную частоту.

На процедуры селекции, усиления и преобразования принятых радиосигналов заявленный способ не накладывает никаких ограничений, в силу чего в качестве ПРМ 3 может быть использовано приемное устройство любой современной БРЛС.

Преобразованные на промежуточную частоту радиосигналы с выхода ПРМ 3 поступают на первый вход АЦП 4, который в соответствии с поступающими из синхронизатора 8 тактовыми импульсами осуществляет преобразование их в цифровую форму квантованием по времени и уровню.

С выхода АЦП 4 радиосигналы в цифровой форме поступают на первый вход БЦВМ 5, которая, используя импульсы начала излучения, одним из известных способов, например, примененным в прототипе, выполняет многоканальную по времени запаздывания и доплеровской частоте обработку принятых радиосигналов, результатом которой является измерение частот f_прi отраженных от этих ЛА радиосигналов, где i - номер обнаруженного ЛА.

Затем БЦВМ 5 считывает из ЗУ 6 начальное значение частоты излучаемых радиоимпульсов f₀, значение скорости света с₀ и значение крутизны S_о ЛЧМ несущей частоты излучаемых радиоимпульсов и, используя измеренные значения частот f_прi принятых радиосигналов, по формуле (3) вычисляет однозначные дальности Д_oi до всех обнаруженных ЛА, которые через третий выход передает в ЗУ 6, которое их запоминает.

После этого БЦВМ 5:

- используя вычисленные однозначные дальности Д_oi до обнаруженных ЛА одним из известных способов, например, приведенным в [патент RU №2219558, G 01 S 13/12, 27.03.2002], вычисляет значение ЧПИР F_пи, обеспечивающее попадание отраженных от обнаруженных ЛА радиосигналов в зоны прозрачности, и коэффициент К_нi неоднозначности для каждого i-го обнаруженного ЛА. Значения коэффициентов К_нi неоднозначности БЦВМ 5 через третий выход выдает в ЗУ 6, которое их запоминает. Значение ЧПИР F_пи БЦВМ 5 через первый выход выдает в синхронизатор 8;

- по формуле (4) вычисляет значение интервала однозначной дальности ΔД_о, соответствующее вычисленному значению ЧПИР F_пи, и через третий выход выдает его в ЗУ 6, которое его запоминает;

- считывает из ЗУ 6 значение крутизны S_тр ЛЧМ несущей частоты излучаемых радиоимпульсов, обеспечивающее требуемое разрешение РЛС по дальности и скорости, и через второй выход подает его на первый вход гетеродина 9.

Синхронизатор 8, в соответствии с новым значением ЧПИР F_пи, снова формирует упомянутые выше импульсы и выдает их тем же адресатам.

Гетеродин 9 формирует линейно изменяющийся по частоте сигнал, но с новым значением крутизны, который с его выхода поступает на второй вход ПРД 7.

ПРД 7, АП 2, антенна 1, ПРМ 3, АЦП 4, БЦВМ 5 снова, как описано выше, осуществляют: формирование ЛЧМ радиоимпульсов и их излучение, прием отраженных от ЛА и земли радиосигналов, их селекцию, усиление, преобразование на промежуточную частоту, преобразование в цифровую форму и измерение частот f_прi отраженных от этих ЛА радиосигналов.

После чего БЦВМ 5 по формуле (5) вычисляет неоднозначные значения дальностей Д_нi до всех обнаруженных ЛА и считывает из ЗУ 6 запомненные значения коэффициентов К_нi неоднозначности для всех обнаруженных ЛА и значение интервала однозначной дальности ΔД_о, используя которые по формуле (6) вычисляет точное значение дальности Д_oi до каждого i-го ЛА.

Предложенный способ измерения дальности в импульсно-доплеровских РЛС обладает принципиальным отличием от известных способов, состоящим в высокой точности измерения дальности до ЛА, в том числе и медленно летящих, и их разрешении в группе даже в случае равенства их скоростей, поскольку для вычисления дальности используется значение крутизны ЛЧМ несущей частоты излучаемых радиоимпульсов, обеспечивающее требуемое разрешение РЛС по дальности и скорости (см. формулу (2)). Более того, заявляемый способ не накладывает ограничений на значение крутизны ЛЧМ сигнала, что позволит обеспечить высокие разрешения РЛС по дальности и скорости.

Эффективность предлагаемого способа измерения дальности проверялась с помощью математического моделирования. Модель включала в себя все блоки, показанные на фиг.1. Точность измерения дальности оценивалась путем статистической обработки серии случайных результатов, полученных при математическом моделировании процесса обработки сигналов. Полученные результаты показали, что измерение дальности до ЛА обеспечивается со среднеквадратическим отклонением, составляющим единицы метров.