Результат интеллектуальной деятельности: Способ оценки радиальной скорости объекта

1 Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое изобретение относится к области радиолокации, в частности, к способам оценки радиальной скорости объектов вдоль оси X перпендикулярной траектории полета носителя радиолокатора бокового обзора (РЛ БО) - оси Y. Оценка осуществляется по радиолокационным изображениям (РЛИ) местности, формируемым в РЛ БО при проведении зондирования земной и водной поверхности с применением синтезированных антенных решеток (САР).

В настоящее время все большее применение находят радиолокаторы с синтезированной апертурой (РСА) и, в частности, радиолокаторы бокового обзора (РЛ БО). Осуществлена достаточно полная разработка теории применения синтезированных антенных решеток (САР) и созданы реальные РСА с высокими характеристиками, которые используются для мониторинга местности, трубопроводов, разведки ледовой обстановки, обнаружения объектов, пожаров, других чрезвычайных ситуаций и пр.

Однако некоторые задачи РСА остаются трудно реализуемыми, и характеристики РСА не отвечают практическим требованиям. К таким задачам, в частности, относится обнаружение движущихся объектов и оценка их скорости.

2 Уровень техники

В качестве аналогов предлагаемого способа оценки скорости лоцируемого объекта можно рассматривать способы селекции движущихся целей (СДЦ), их обнаружения и оценивания скорости, рассмотренные в книге Г.С. Кондратенкова и А.Ю. Фролова «Радиовидение», Москва, издательство «Радиотехника», 2005 г. с. 302-330.

В этой книге рассмотрен способ селекции и измерения скорости движущихся целей в системах с остановленным фазовым центром (книга «Радиовидение», Г.С. Кондратенков, А.Ю. Фролов, Москва, издательство «Радиотехника», 2005 г. с. 309-312). Способ основан на использовании трех приемных каналов, антенны которых разнесены вдоль траектории полета носителя. При этом расстояние между фазовыми центрами приемных антенн этих каналов и скорость носителя РСА согласованы таким образом, что за период зондирования фазовые центры сместятся точно на расстояние между двумя антеннами. В этом случае одни антенны займут в пространстве положения других, а расстояние от них до цели не изменится. Поэтому, применив, например, вычитание принятых сигналов этих каналов, добиваются компенсации сигналов от неподвижных объектов. Оценка скорости объекта зависит от наличия остатков сигналов от неподвижных целей, шумов и разрешения по частоте.

Из основных недостатков указанного способа можно отметить наличие «слепых скоростей», подавление сигналов от объектов с малой радиальной скоростью, неоднозначность измерения «азимут - радиальная скорость» и пр. Для устранения неоднозначности необходимо введение дополнительного канала.

Другим аналогом может служить способ СДЦ и измерения скорости в РСА с моноимпульсной антенной, рассмотренный в той же книге «Радиовидение» (с. 312-318). Основан способ на вводе второго канала и формировании равносигнального направления (РСН). При этом сигналы от неподвижных объектов, находящиеся на РСН, компенсируются, а от движущихся объектов, даже при совпадении доплеровских частот у неподвижных и движущихся объектов, не компенсируются, так как при этом сигналы от движущихся объектов имеют углы прихода по азимуту, отличные от РСН. Имея достаточно высокую эффективность подавления сигналов фона, способ не работает при малых радиальных скоростях объектов и при наличии только двух каналов (суммарного и разностного) не позволяет однозначно измерить радиальную скорость и азимут движущейся цели (там же, с. 318).

За прототип принят способ селекции движущихся целей и оценки их радиальной скорости путем доплеровской фильтрации сигналов, рассмотренный в той же книге «Радиовидение» (с. 304-309). Для этого с помощью РЛ БО с синтезированной апертурой лоцируют полосу местности вдоль ось Y, формируют и запоминают комплексные огибающие входных сигналов (радиоголограммы), формируют исходное радиолокационное изображение (РЛИ), используя обработку траекторного сигнала (там же, с. 137), согласованную со скоростью носителя V_{нос_у} и с неподвижными местностью и объектами на ней. Для выделения движущихся объектов используют различие допплеровских частот движущихся и неподвижных объектов. Сигналы неподвижных объектов отфильтровывают, а сигналы от движущихся объектов селектируют (выделяют) в системе обработки траекторных сигналов (там же, с. 306). При упрощенной согласованной обработке это осуществляют за счет частотной фильтрации. Движущаяся цель обнаруживается по превышению порога в доплеровском фильтре, настроенном на частоту сигнала цели. При этом обеспечивается оценка доплеровской частоты f_дц. Для определения радиальной скорости цели V_цr необходимо дополнительно измерить (любым способом) направление прихода сигнала (азимут цели) β_ц относительно направления оси диаграммы направленности антенны РСА θ_н. Угол θ_н отсчитывается относительно направления вектора скорости носителя РСА V и считается известным. Имея оценки азимута и доплеровской частоты, можно определить радиальную скорость цели (там же, стр. 308)

где λ - длина волны РСА. В частном случае для РЛ БО θ_н=90 град.

Из недостатков прототипа, кроме необходимости измерения азимута цели для однозначной оценки ее радиальной скорости, следует отметить также зависимость ошибки определения скорости от ошибок определения азимута, возможность перепутывания при определении движущихся и неподвижных целей, в частности при значительном превышении сигналом от неподвижного объекта сигнала фона, неэффективность способа при малых скоростях целей и т.д.

Технический результат при применении предлагаемого способа заключается в обеспечении получения оценок радиальной скорости лоцируемых РЛ БО объектов, не зависящих от значений этих скоростей и от знания азимутов самих объектов и, как следствие, не требующий формирования дополнительных антенных каналов.

3 Раскрытие изобретения

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что используют известный способ оценки радиальной скорости движущегося объекта V_{об_х} направленной вдоль оси X перпендикулярной оси Y, совпадающей с траекторией полета носителя радиолокатора бокового обзора (РЛ БО) с синтезированной апертурой, при котором с помощью РЛ БО лоцируют полосу местности вдоль оси Y, формируют и запоминают радиоголограммы, формируют исходное радиолокационное изображение (РЛИ) при согласовании обработки со скоростью носителя V_{нос_у} и с неподвижными местностью и объектами на ней, обнаруживают на нем объекты и измеряют их радиальную скорость, отличающийся тем, что для всех i-ых обнаруженных объектов, для которых требуются оценки их радиальной скорости,

- определяют их положение Х_{0_обi} и Y₀__обi на исходном РЛИ,

- задают минимальную V_{r_min} и максимальную V_r__max радиальные скорости объектов, определяющие диапазон ее измерения,

- определяют интервал однозначной оценки радиальной скорости ΔV,

- разбивают диапазон измеряемых радиальных скоростей на интервалы однозначного определения радиальной скорости

и для каждого интервала, используя радиоголограммы, формируют два фрагмента РЛИ, при синтезировании которых вводят два разных смещения значений радиальной скорости носителя по оси X V_{нос_х_1} и V_{нос_х_2} на величину, лежащую в пределах интервала однозначности ΔV,

при этом начало Y_{нач_1i} и Y_{нач_2i} и окончание Y_{кон_1i} и Y_{кон_2i} синтезирования каждого фрагмента РЛИ для i-го объекта по оси Y определяют, учитывая смещение Y_{0_обi} при наличии скорости объекта в диапазоне от V_{r_min} до V_r__max и из-за ввода V_{нос_х_1} и V_{нос_х_2},

для каждого интервала однозначности устанавливают соответствие объектов двух РЛИ между собой, для каждого i-го объекта определяют его положение X_{max_1i} и Y_{max_1i} на первом и X_max__2i и Y_max__2i на втором РЛИ и находят смещение ΔX_{oб_12i} как разность его координат по оси X на двух РЛИ

ΔX_{об_12i}=X_{max_1i}-X_{max_2i}

и далее оценивают их радиальную скорость по формуле:

где D_синт - интервал синтезирования РЛИ.

При этом начало формирования каждого фрагмента РЛИ для i-го объекта Y_{нач_1i} и Y_{нач_2i} по оси Y выбирают смещенным относительно Y_{0_обi}, так что

где λ - длина волны излучаемого сигнала РЛ БО, k - константа,

а окончание формирования каждого фрагмента РЛИ для i-го объекта Y_{кон_1i} и Y_кон__2i определяют смещенным по оси Y относительно Y_{0_обi}, так что

При этом, исходя из требуемой полноты отображения РЛИ лоцируемого объекта на формируемом фрагменте РЛИ, k выбирают более 0.5.

Для каждого интервала однозначности соответствие РЛИ объектов на двух фрагментах РЛИ одному объекту предпочтительней устанавливать путем проверки их совмещения по оси Y при смещении первого РЛИ относительно второго по оси Y на величину ΔY_i, определяемую выражением

При определении ΔХ_{об_12i} для каждого i-го объекта определяют его положение X_{max_1i} на первом и X_{max_2i} на втором РЛИ фрагмента как максимум сечения РЛИ объекта по оси X, соответствующего центру этого РЛИ объекта по оси Y.

Для поддержания точности оценки радиальной скорости независимо от ее значения интервал однозначного определения скорости определяют, исходя из выражения

где R_max - удаление дальней границы синтезированного РЛИ от траектории полета носителя.

При этом, исходя из практической реализации способа, целесообразно, когда смещения скорости носителя при формировании двух РЛИ для каждого интервала соответствуют граничным значениям скоростей этого интервала и для смежных интервалов эти РЛИ являются общими, а исходное РЛИ используют как одно из граничных РЛИ.

Также, исходя из упрощения практической реализации способа, начало и окончание формирования РЛИ для всех объектов одного интервала выбирают едиными, при том, что начало равно минимальному из Y_нач__1i и Y_{нач_2i}, а окончание равно максимальному значению из Y_{кон_1i} и Y_кон__2i для всех i.

Таким образом, предлагаемый способ оценивания радиальной скорости объекта в РЛ БО, основанный на построении двух (или более) РЛИ при введении смещения (ошибки) в значение вектора скорости носителя РЛ БО, не требует введения дополнительных антенн и угловых каналов. Кроме того, точность оценивания скорости определяется точностью оценивания смещения двух изображений объекта на разных РЛИ, а это не зависит от значения самой скорости и определяется разрешающей способностью и шагом вычисления РЛИ. Поэтому инструментальная точность измерения радиальной скорости объекта может быть очень высокой, что подтверждается результатами математического моделирования, приведенными ниже.

4 Перечень чертежей

Фиг. 1 отображает РЛИ (отклики) первого (справа) и второго (слева) объектов, а Фиг. 2 - третьего (справа) и четвертого (слева) объектов, полученных при нулевом значении смещения радиальной скорости носителя, т.е. при V_{нос_х1}=0.

Фиг. 3 и Фиг. 4, - демонстрируют соответствующие отклики, рассчитанные при наличии смещения V_{нос_x2}=5 м/с,

Фиг. 5 и Фиг. 6 - соответствуют откликам при V_{нос_x3}=10 м/с.

Фиг. 7 отражает расширение отклика при больших различиях скоростей объекта и носителя.

5 Осуществление изобретения

Основу предлагаемого способа измерения радиальной (относительно траектории полета носителя РЛ БО) скорости лоцируемого объекта V_{об_x} составляет смещение РЛИ этого объекта, имеющего радиальную скорость, при его формировании без учета этой скорости.

В соответствии со статьей Брызгалова А.П. «Влияние скорости объекта на его радиолокационное изображение, формируемое в радиолокаторе бокового обзора с синтезированной апертурой», опубликованной в журнале «Цифровая обработка сигналов» №2 за 2017 г., этот сдвиг по оси X (нормальной к траектории полета носителя) определяется выражением

Это смещение РЛИ по оси X (с учетом перемещения лоцируемого объекта и носителя по оси X за время полета носителя по оси Y при формировании фрагмента РЛИ для i-го объекта, а также с учетом смещений РЛИ по оси Y из-за неучитываемых при обработке радиальных скоростей) используется в предлагаемом способе для технической реализации оценки радиальной скорости лоцируемого РЛ БО объекта.

Осуществление способа и его возможности могут быть пояснены на примере формирования РЛИ при применении в РСА корреляционно-фильтровой согласованной обработки (см. статью Брызгалова А.П, Карауловой Е.В., Хныкина А.В. «Аналого-цифровая обработка информации в радиолокаторах с синтезированной апертурой, использующих сверхширокополосные сигналы с линейной частотной модуляцией.», опубликованной в журнале «Цифровая обработка сигналов» №4 за 2004 г. ). В этом случае принятый входной сигнал умножают на опорный сигнал гетеродина, который согласован с сигналом, сформированным в передатчике, и настроен на определенные параметры этого сигнала, связанные с прохождением сигналом тракта его распространения, что определяется взаимным пространственным положением летательного аппарата (ЛА) - носителя РСА и лоцируемого участка и их взаимными скоростями. В частности, сигнал гетеродина может быть настроен на прием сигнала, отраженного от некоторой выбранной точки на местности.

При умножении образуют два квадратурных канала. В каждом квадратурном канале сигналы оцифровывают и затем обрабатывают в N каналах дальности. Каждый канал дальности настроен на определенную точку на местности. Для этого сигнал после умножителя обрабатывают в N каналах дальности с учетом отличия параметров сигнала каждого канала (задержки и коэффициента временной трансформации р=1-2 V_r/c, где V_r - радиальная составляющая скорости носителя РСА относительно лоцируемой точки, с - скорость света) от параметров сигнала гетеродина (см. указанную выше статью, формулы (10)-(19)]. При этом формируют N выборок выходного сигнала приемника для задаваемых точек местности, формируя тем самым РЛИ лоцируемой местности.

При формировании исходного РЛИ полагают, что наличие и значение скорости V_r обусловлено только скоростью носителя V_{нос_у}, ее проекцией на линию носитель - объект. Для оценки радиальной скорости объекта дополнительно формируют РЛИ при вводе в V_r дополнительной (ошибочной) радиальной составляющей скорости носителя V_{нос_х}.

Модель приведенной выше обработки использовалась для подтверждения работоспособности предлагаемого способа. Было проведено моделирование обработки сигналов от четырех точечных отражателей с формированием откликов (РЛИ) от каждого из них. Движение носителя РЛ БО осуществлялось вдоль оси Y со скоростью V_{нос_у}=100 м/с. Первый отражатель был выбран неподвижным с координатами Х₁₀=10000 м и Y₁₀=0. Второй, третий и четвертый отражатели имели одинаковое нулевое начальное положение на оси Y, т.е. Y₂₀=Y₃₀=Y₄₀=0, и слегка сдвинуты относительно первого и друг друга по оси X: Х₂₀=9999 м, Х₃₀=9998 м и Х₄₀=9997 м. Кроме того, отражатели 2…4 двигались по оси X, т.е. в радиальном к траектории полета носителя направлении: V_{2_x}=3 м/с, V_{3_x}=5 м/с и V_{4_x}=7 м/с. Интервал синтезирования изображения D_синт=1000 м. При этом, так как использовался сигнал с линейной частотной модуляцией с девиацией 200 МГц, то разрешение по дальности было высоким (порядка 1 м).

Результаты обработки, представленные для наглядности не яркостными РЛИ, а в виде трехмерных откликов, показаны на Фиг. 1-6. При этом Фиг. 1 отображает отклики первого (справа) и второго (слева) объектов, а Фиг. 2 - третьего (справа) и четвертого (слева) объектов, полученных при нулевом значении смещения радиальной скорости носителя, т.е. при V_{нос_х1}=0. Следующая пара рисунков: Фиг. 3 и Фиг. 4, - демонстрируют соответствующие отклики, рассчитанные при наличии смещения V_{нос_х2}=5 м/с, а Фиг. 5 и Фиг. 6 - при V_{нос_х3}=10 м/с.

Как видно из рисунков, в соответствии с указанной ранее статьей Брызгалова А.П. «Влияние скорости объекта на его РЛИ…» движение объекта в радиальном к траектории носителя РЛ БО направлении приводит к смещению и искажению его отклика на синтезированном РЛИ. Идеальный соответствующий теории отклик, расположенный точно в точке нахождения объекта на момент начала синтезирования, образуется в случае равенства скорости объекта V_{j_x} и смещения скорости носителя V_{нос_xi} (см. правый отклик на Фиг. 1 - РЛИ неподвижного объекта, полученное для V_{нос_х1}=0, - и правый отклик на Фиг. 4 - РЛИ третьего объекта с V_{3_x}=5 м/с при V_{нос_х2}=5 м/с). Остальные отклики сдвинуты по обеим осям, причем в большей степени по оси Y. Так, например, на Фиг. 1 и 2 отклик второго объекта расположен в точке с координатами X_{max_2}=10019,2 м, Y_{max_2}=-300,4 м, третьего - X_{max_3}=10046,4 м, Y_{max_3}=-501,6 м и четвертого - X_{max_4}=10057,8 м, Y_{max_4}=-702,4 м. Кроме того, при превышении разницы между скоростью объекта и смещением скорости носителя ΔV_p некоторого интервала однозначного определения скорости , наблюдается снижение амплитуды отклика и расширение его основного лепестка. Это объясняется отсутствием при обработке, согласованной с лоцированием неподвижного объекта, радиальных скоростей выше ΔV. Для рассматриваемого случая ΔV=5 м/с. При этом максимум отклика остается достаточно отчетливо выражен даже при ΔV_p=7 м/с. И только при ΔV_p=10 м/с (правый отклик на Фиг. 5 - РЛИ неподвижного объекта при V_{нос_х3}=10 м/с) появляется заметное расщепление главного лепестка, затрудняющее нахождение его положения.

Если теперь воспользоваться приведенным в п. 1 формулы изобретения соотношением и оценить скорости объектов, то получим следующие результаты:

для 1-го объекта, используя РЛИ, рассчитанные при V_{нос_х1}=0 и V_{нос_х2}=5 м/с (Фиг. 1 и Фиг. 3), имеем: X_{max_11}=10000 м, Y_max_₁₁=0, X_{max_21}=9971,4 м, Y_max_₂₁=500,6 м, Y_{нач_11}=-320 м, Y_{нач_21}=180 м, Х₀__об1=10000 м, V_{нос_у}=100 м/с и D_синт=1000 м, отсюда V_{об_x1}=0,014 м/с,

для 2-го объекта, используя те же РЛИ, что и для первого, имеем V_{oб_х2}=3,021 м/с,

для 3-го объекта, используя опять же РЛИ, рассчитанные при V_{нос_х1} и V_{нос_x2} (Фиг. 2 и Фиг. 4), имеем V_{oб_x3}=4,996 м/с,

для 4-го объекта, используя попарно РЛИ, рассчитанные для всех трех V_{нос_xi} (Фиг. 2, Фиг. 4 и Фиг. 6), получаем:

V_{oб_x4_1}=7,013 м/с (РЛИ при V_нос__x1 и V_{нос_х3}),

V_{oб_x4}_₂=7,011 м/с (РЛИ при V_{нос_х1} и V_{нос_х2}),

V_{oб_x4}_₃=7,014 м/с (РЛИ при V_{нос_x2} и V_{нос_х3}).

Таким образом, все оценки радиальной скорости объектов с высокой точностью соответствуют истинным скоростям.

При этом инструментальная точность оценки радиальной скорости достаточно высокая, так как в соответствии с выражением для этой оценки она определяется в основном точностью определения двух параметров X_{max_1i} и X_max__2i. Остальные параметры, входящие в эту формулу или задаются, или имеют малое влияние на оценку скорости. На практике оценка параметров может быть затруднена за счет протяженности лоцируемого объекта, наложения фона, шумов и пр. Однако для уменьшения влияния этих и других факторов на нахождение ΔХ_{об_12i}=X_{max_1i}-X_{max_2i} можно использовать специальные обработки, например, изложенную ниже.

Следует также отметить, что значение измеряемой скорости не влияет на точность ее оценки. Однако для оценки больших значений радиальной скорости объекта надо увеличивать и смещение радиальной скорости носителя так, чтобы их разность не превышала ΔV. Для подтверждения этого была проведена оценка радиальной скорости объекта, движущегося с V_{об_x}=30 м/с. Для этого были промоделированы две обработки по формированию РЛИ объекта при двух значениях смещения радиальной скорости носителя: 30 м/с и 35 м/с. При использовании этих РЛИ в соответствии с формулой изобретения, оценка скорости объекта составила 29,8754 м/с, т.е. точность оценки достаточно высокая, а погрешность в основном связана с оценкой положения отклика по оси X. На Фиг. 7 приведено РЛИ для рассмотренного случая при V_{нос_х}=35 м/с. РЛИ объекта расширилось. Но это расширение происходит по оси Y, и для нахождения X_max можно, например, определять максимум сечения отклика по X, соответствующего центру этого отклика по оси Y.

Пример с измерением радиальной скорости в 30 м/с подтверждает возможность использования граничных РЛИ, рассчитанных с шагом равным интервалу однозначности (п.п. 6, 7 формулы), а пример с 4-мя объектами при V_{1_x}=0, V_{2_x}=3 м/с, V_{3_x}=5 м/с и V_{4_x}=7 м/с (фиг. 1-6) соответствует п. 8 при использовании двух РЛИ для измерения скоростей всех объектов, входящих в один интервал однозначности.