способ измерения дальности
Классы МПК: | G01S13/10 с использованием передачи прерывистых импульсно-модулированных колебаний |
Автор(ы): | Пер Б.А. |
Патентообладатель(и): | Центральный научно-исследовательский институт "Гранит" |
Приоритеты: |
подача заявки:
1992-04-29 публикация патента:
10.04.1995 |
Использование: при проектировании радиолакационных навигационных систем. Сущность изобретения: комплексирование результатов двух независимых измерений дальности - первого по величине задержки между максимумом огибающей и концом зондирующего импульса, и второго - по сдвигу фаз между колебаниями зондирующих и отраженных сигналов, причем для увеличения интервала однозначного измерения до значения, превосходящего максимальную ошибку грубого измерения, учитываются фазовые измерения на двух частотах, излучаемых попеременно, и определяется сдвиг фаз, соответствующий разностной частоте, что позволяет увеличить точность измерения дальности. 1 ил.
Рисунок 1
Формула изобретения
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ, заключающийся в том, что излучают когерентные зондирующие импульсные сигналы, принимают отраженные импульсные сигналы, преобразуют принятые сигналы в сигнал промежуточной частоты, усиливают, выделяют квадратурные составляющие принимаемого сигнала Uic, Uis путем фазового детектирования и согласованной фильтрации, выделяют амплитудную огибающую сигнала![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-89t.gif)
f1 < f2 < f3 < fl или f1 > f2 > f3 > fl
так, чтобы
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-90t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-91t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-92t.gif)
где c скорость света;
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032040/948.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-93t.gif)
где r отношение сигнал/шум по мощности,
задерживают квадратурные составляющие принимаемого сигнала Uic
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032074/183.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032074/183.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032074/183.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032074/183.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032074/183.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032074/183.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032074/183.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032074/183.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032074/183.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032074/183.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032074/183.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-94t.gif)
определяют фазу сигнала
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032029/981.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-95t.gif)
где
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-96t.gif)
причем
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-97t.gif)
E (Ui) целая часть Ui;
D (Ui) дробная часть Ui;
C скорость света.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при проектировании радиолокационных навигационных систем с повышенными требованиями к точности измерения расстояния между РЛС и радиоконтрастными объектами (ориентирами) с известными координатами. Одним из близких по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ измерения дальности, рассмотренный в кн. Я.Д.Ширмана Теоретические основы радиолокации. М. Сов. Радио, 1970, с.361-364 и в кн. М. И. Финкельштейна Основы радиолокации. М. Сов. Радио, 1973, с. 92-94, основанный на излучении непрерывных колебаний СВЧ на двух несущих частотах, приеме отраженных колебаний независимыми приемными каналами, выделении и узкополосной фильтрации допплеровских частот в каждом из приемных каналов, образовании разности фаз![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032029/981.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032029/981.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915t.gif)
(1) где Fp разность допплеровских частот в приемных каналах, С скорость света. Недостатком этого способа измерения дальности является, во-первых, отсутствие разрешающей способности по дальности, во-вторых, способ нуждается в движении РЛС относительно ориентиров и не может работать при неподвижных ориентирах, в-третьих, для того, чтобы измерение дальности было однозначным, разностную частоту приходится выбирать из условия
Fp
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032013/8773.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-2t.gif)
(2) где Rmax максимальная дальность, а это, в свою очередь, при больших значениях Rmax приводит к невысокой точности измерения дальности, которая, как это следует из (1), (2), при заданной инструментальной ошибке измерения фазы
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032040/948.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032029/981.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032040/948.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032002/8805.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-3t.gif)
(3)
Наиболее близким к предлагаемому способу по своей технической сущности является известный способ, сущность которого заключается в излучении зондирующих импульсов с высокочастотным заполнением, приеме отраженных импульсных сигналов, выделении их амплитудной огибающей после согласованной фильтрации, измерении задержки максимального значения огибающей относительно момента излучения зондирующего импульса в том же периоде повторения. При измерении дальности способом-прототипом обеспечивается высокая разрешающая способность по дальности и возможно однозначное измерение дальности как до движущихся, так и до неподвижных целей. Недостатком способа-прототипа является недостаточная точность измерения дальности, в особенности, для решения геодезических и навигационных задач. Действительно, среднеквадратичная ошибка измерения дальности в случае прямоугольных зондирующих импульсов с длительностью
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032058/964.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/963.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-4t.gif)
(4) где E/No отношение энергии импульса Е к спектральной плотности шумов No. Как видно из выражения (4), при с
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032058/964.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/961.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-5t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/963.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032002/8805.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/916.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-6t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-7t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032013/8773.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-8t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/8712.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-9t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/916.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032029/981.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/960.gif)
R1=
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-10t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-11t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-12t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-13t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-14t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-15t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-16t.gif)
причем E(Uo) означает целую часть, Д(Uo) дробную часть от Uo. С целью повышения точности при числе частот l > 2 организуют итеративный процесс, при котором повторяют вышеуказанные операции, выбирая частоты перестройки fgi, fhi так, чтобы
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/916.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032013/8773.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-17t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/8712.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-18t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/916.gif)
Ri+1=
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-19t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-20t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-21t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-22t.gif)
Ui=
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-23t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-24t.gif)
Благодаря осуществлению совокупности указанных выше операций обеспечивается комплексирование результатов двух независимых измерений дальности, первого по величине задержки между максимумом огибающей и концом зондирующего импульса, которое является однозначным, но сравнительно неточным, и второго по сдвигу фаз между колебаниями зондирующих и отраженных сигналов, которое является точным, но неоднозначным, причем для увеличения интервала однозначного измерения до значения, превосходящего максимальную ошибку грубого измерения, используются фазовые измерения на двух частотах, излучаемых попеременно, и определяeтся сдвиг фаз, соответствующий разностной частоте, равной разности излучаемых несущих частот. Значение дальности до объекта (ориентира) с точностью до интервала однозначного измерения, равного половине длины волны разностной частоты, определяется путем сравнения показаний измерителя по задержке (дальномера) с фазовым измерителем, при этом показания последнего используются для уточнения измерения дальности с точностью до долей интервала однозначного измерения. Таким образом, благодаря комплексированию этих измерений получают точный и однозначный результат. На чертеже изображена функциональная схема РЛС, реализующая предлагаемый способ. Приняты следующие обозначения: 1 передающее устройство (Пер.У); 2 антенный переключатель (АП); 3 антенна (А); 4 приемное устройство (Пр.У); 5 фазовые детекторы (ФД); 6 фазовращатель на 90о (ФВ); 7 согласованные фильтры (СФ); 8 блок выделения огибающей (БВО); 9 дальномер (Д); 10 синхронизатор (С); 11 блок перестройки частоты (БПЧ); 12 линии задержки на (h-g) периодов повторения (ЛЗ); 13 измеритель фазы разностной частоты (ИФ); 14 блок комплексирования (БК). В соответствии с представленной схемой РЛС, реализующая предлагаемый способ, работает следующим образом. Передающее устройство (Пер.У) 1 излучает когерентные зондирующие импульсы с перестройкой частоты по регулярному закону на одну из фиксированных частот fci, i g, h, причем
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/916.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032013/8773.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-25t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/916.gif)
Ui(t) aia
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-26t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-27t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-28t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-29t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-30t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-31t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-32t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-33t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-34t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-35t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-36t.gif)
причем
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032058/964.gif)
Uпч(t) aп4cos
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-37t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032029/981.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032029/981.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-38t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032029/981.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032029/981.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032029/981.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-39t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-40t.gif)
Uic(t) aia
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-41t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-42t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-43t.gif)
Uis(t) aia
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-44t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-45t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-46t.gif)
(1)
i g, h, квадрируются, суммируются и преобразуются (нелинейное преобразование извлечение квадратного корня) в блоке выделения огибающей (БВО) 8, так что из них формируются положительные видеоимпульсы
Ui(t) aia
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-47t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-48t.gif)
Uic= aicos
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-49t.gif)
(2)
Uis= aisin
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-50t.gif)
bc UgcUhc + UgsUhs,
т.е. bc= aga
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-51t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-52t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-53t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-54t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-55t.gif)
или bc= agahcos
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-56t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032081/969.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032081/969.gif)
(3) Аналогично, после попарного перемножения и вычитания задержанных в ЛЗ 121, 122 на h-g периодов повторения и незадержанных разноименных квадратурных составляющих образуется импульсный сигнал с величиной и полярностью, определяемыми выражениями
bs UgsUhs-UgcUhs,
т.е. bs= aga
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-57t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-58t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-59t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-60t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-61t.gif)
или
bs= agahsin
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-62t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032081/969.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032081/969.gif)
(4) Импульсный сигнал ag из БВО 8 задерживается в ЛЗ 123 на h-g периодов повторения и поступает в измеритель фазы разностной частоты (ИФ) 13, куда приходит в тот же момент сигнал ah, одновременно в ИФ 13 формируются сигналы bs, bc. В ИФ 13 образуются нормированные сигналы
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-63t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-64t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032029/981.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-65t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-66t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-67t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-68t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-69t.gif)
(5) Значение
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032029/981.gif)
R1=
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-70t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-71t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-72t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-73t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-74t.gif)
(6)
причем Uo=
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-75t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-76t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/916.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032013/8773.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-77t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-78t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-79t.gif)
(7) где
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/916.gif)
Ri+1=
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-80t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-81t.gif)
(8) где mi=
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-82t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-83t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-84t.gif)
причем
Ui=
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-85t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-86t.gif)
Техническим преимуществом заявляемого способа по сравнению с прототипом является существенное повышение точности измерения дальности. Ошибка измерения дальности заявляемым способом может быть оценена путем анализа соотношений (4)-(8). Она выражается в виде
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/963.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-87t.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032074/183.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032915/2032915-88t.gif)
(9)
причем
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/916.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/961.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/963.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/916.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/963.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/916.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/963.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/916.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/916.gif)
![способ измерения дальности, патент № 2032915](/images/patents/441/2032071/963.gif)
Класс G01S13/10 с использованием передачи прерывистых импульсно-модулированных колебаний