способ наблюдения за поверхностью и воздушной обстановкой радиолокационной станцией

Формула изобретения

Способ наблюдения за поверхностью и воздушной обстановкой радиолокационной станцией, заключающийся в формировании матрицы радиолокационного изображения в режиме “реального луча” с последовательным смещением луча РЛС по азимуту на величину n-й части ширины ДНА и обработке амплитуд отраженных сигналов на выходе суммарного и разностного каналов РЛС, причем амплитуды отраженных сигналов у(1), у(2), ...,y(n) и у'(1), у'(2), ...,у'(n) на выходе суммарного и разностного каналов умножают на весовые коэффициенты h(1), h(2), ...,h(n) и h'(1), h'(2),..., h'(n) и результаты умножений суммируются и оценивают амплитуды x(n) отраженного сигнала, соответствующего n-й части ДНА при первом положении луча

x(n) = h(1) y(1) + ... + h(n) y(n) + h'(1)у'(1) + ... + h'(n) у'(n),

кроме того, при последующих смещениях луча на n-ю часть ДНА амплитуды отраженных сигналов, полученные при последующих положениях луча, суммируются с теми же весами и оценивают амплитуды х(n+1), х(n+2), ..., x(N):

(n+1) = h(1)y(2)+...+ h(n)y(n+1)+ h'(1)у'(2)+...+ h'(n)у'(n+1),

(n+2) = h(1)y(3)+...+ h(n)y(n+2)+ h'(1)у'(3)+...+ h'(n)у'(n+2),

---------------------------------------------------------------- ,

(N)=h(1)y(N–n+1)+...+ h(n)y(N)+ h'(1)у'(N–n+1)+...+ h'(n)y'(N).

затем оценки А(i,j) = x(j) амплитуд x(j) (j = n, n+1,...,N), найденные независимо в каждом i-м (i = 1,2,...,М) элементе разрешения по дальности, располагают в М строк и N столбцов и тем самым формируют матрицу радиолокационного изображения A(i, j),i = , j = .

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным станциям (РЛС), работающим в режиме "реального луча" со смещением луча.

Режим реального луча используется в современных бортовых РЛС при переднем обзоре, например для совершения посадки после предварительного обнаружения посадочной площадки при боковом или переднебоковом обзоре. При этом разрешение РЛС по азимуту оказывается равным эффективной ширине диаграммы направленности антенны (ДНА), что недостаточно для различения малоразмерных объектов на поверхности, и требуется повысить разрешение по азимуту (осуществить обужение ДНА) при переднем обзоре.

Известен способ повышения разрешающей способности РЛС при боковом или переднебоковом обзоре для РЛС, работающих в режиме синтезирования апертуры антенны или доплеровского обужения (Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны /В.Н.Антипов, В.Т.Горяинов, А.Н.Кулин и др./ Под ред. В.Т.Горяинова. - М.: Радио и связь. 1988. 304 с.), где повышение разрешения по азимуту осуществляется следующим образом. При боковом (переднебоковом) обзоре используются режимы синтезирования апертуры РЛС, которые позволяют использовать узкополосную доплеровскую селекцию (фильтрацию) амплитуды отраженного сигнала по частоте (связанной с азимутом) в широком диапазоне частот. В результате осуществляется значительное (в десятки и сотни раз) обужение диаграммы направленности антенны (ДНА), что позволяет на множестве элементов разрешения по дальности (по i-м строкам) и по азимуту (по j-м столбцам) сформировать матрицу радиолокационного изображения (РЛИ) поверхности, i-, j-e элементы которой представляют амплитуду сигнала, зафиксированного в i-м элементе по дальности для j-го фильтра частот.

Однако при переднем обзоре режим синтезирования апертуры не работает.

Наиболее близким по технической сущности является способ обужения ДНА в режиме реального луча по данным суммарного и разностного каналов (Родс Д.Р. Введение в моноимпульсную радиолокацию. М: Сов. Радио. 1960, с.86-87), который заключается в следующем:

1. Формируются суммарная ( ) и разностная ( ) амплитудные характеристики ДНА в виде зависимостей амплитудных коэффициентов усиления антенны или от азимута .

2. Из суммарной амплитудной характеристики ( ) вычитается с определенным коэффициентом разностная характеристика ( ):

( )= ( )-k· ( ),

где регулировка коэффициента k позволяет контролировать эффективную ширину синтезированной ДНА антенны.

3. Полученная таким образом амплитудная характеристика ДНА ( ) имеет меньшую эффективную ширину по сравнению с ( ) и достигается обужение ДНА в 2-3 раза.

Однако такой способ обладает следующими недостатками:

1. Обужение по азимуту в 2-3 раза недостаточно для различения изображений малоразмерных объектов на поверхности, наблюдение которых является главной задачей получения радиолокационных изображений поверхности.

2. Обужение по азимуту указанным способом одновременно уменьшает в 2-3 раза область обзора РЛС по азимуту, что приводит к потере информации.

Технический результат предлагаемого технического решения направлен на повышение разрешающей способности (обужение ДНА) по азимуту с одновременным расширением зоны обзора РЛС.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что способ наблюдения за поверхностью и воздушной обстановкой РЛС заключается в формировании матрицы радиолокационного изображения поверхности в режиме "реального луча" с последовательным смещением луча РЛС по азимуту на величину n-й части ширины ДНА и обработке амплитуд отраженных сигналов на выходе суммарного и разностного каналов РЛС, причем амплитуды отраженных сигналов у(1), у(2), ... , у(n) и у'(1), у'(2), ... , у'(n) на выходе суммарного и разностного каналов умножают на весовые коэффициенты h(1), h(2), ... , h(n) и h'(1), h'(2), ... , h'(n) и результаты умножений суммируются и оценивают амплитуды x(n) отраженного сигнала, соответствующего n-й части ДНА при первом положении луча:

кроме того, при последующих смещениях луча на n-ю часть ДНА амплитуды отраженных сигналов, полученные при последующих положениях луча, суммируются с теми же весами и оценивают параметры амплитуды x(n+1), x(n+2), ... , x(N):

затем оценки A(i,j)=x^(j) амплитуд x(j) (j=n, n+1, ... , N), найденные независимо в каждом i-м (i=1, 2, ... , М) элементе разрешения по дальности, располагают в М строк и N столбцов и тем самым формируют матрицу радиолокационного изображения поверхности

Отличительными признаками предлагаемого способа от прототипа является то, что осуществляются последовательное смещение луча РЛС на n-ю часть ДНА по азимуту и обработка амплитуд отраженных сигналов на выходе суммарного и разностного каналов РЛС путем 2n умножений амплитуд на весовые коэффициенты и 2(n-1) сложений полученных результатов умножения.

Способ осуществляется следующим образом.

Повышение разрешающей способности с расширением зоны обзора РЛС по азимуту и формирование матрицы радиолокационного изображения поверхности в режиме реального луча достигаются за счет последовательного смещения луча РЛС по азимуту на величину n-й части ширины ДНА и обработки амплитуд отраженных сигналов, полученных при каждом положении луча, которая заключается в следующем.

1. Амплитуды отраженных сигналов на выходе суммарного канала РЛС у(1), у(2), ... , у(n), полученные при n первых положениях луча РЛС в данном i-м элементе разрешения по дальности, умножаются на весовые коэффициенты суммарного канала h(1), h(2), ... , h(n), которые вычисляются по методике, описанной ниже, и результаты этих умножений суммируются, а амплитуды сигналов на выходе разностного канала y'(1), y'(2), ... , y'(n) умножаются на весовые коэффициенты разностного канала h'(1), h'(2), ... , h'(n), которые вычисляются по аналогичной методике, и результаты этих умножений, суммируясь с ранее полученным результатом, дают оценку амплитуды х(n) отраженного сигнала, соответствующего n-й части ДНА при первом положении луча:

2. При последующих смещениях луча на n-ю часть ДНА амплитуды сигналов, полученные при n последних положениях луча, суммируются с теми же весами, в результате чего последовательно находятся оценки

3. Оценки A(i,j)=x^(j) амплитуд x(j) (j=n, n+1, ... , N), найденные независимо в каждом i-м (i=1, 2, ... , М) элементе разрешения по дальности, располагают в М строк и N столбцов и тем самым формируют матрицу радиолокационного изображения поверхности в виде совокупности амплитуд сигналов, отраженных от соответствующих i,j-x элементов поверхности.

Пример конкретного выполнения (расчета весовых коэффициентов)

С учетом измерений суммарного и разностного каналов расчет весовых коэффициентов рассматривается в следующей постановке. Измерения по суммарному каналу у₁, у₂, ... , у_m и по разностному каналу у'₁ , у'₂, ... , у'_m связаны с оцениваемыми параметрами x₁, x₂, ... , х_n зависимостями

или в развернутом виде

где n - число неизвестных параметров x_j, участвующих в формировании у_i;

m - число измерений (уравнений), необходимых для нахождения n весовых коэффициентов (m n).

Задается линейная структура оценки параметра х_n

где искомые весовые коэффициенты hi и h'i находятся путем минимизации среднего квадрата ошибки оценивания из решения системы уравнений (например, Грузман И.С. Двухэтапное восстановление дефокусированных изображений // Автометрия. 1997. №2. С.93):

которая с учетом (1) и без учета корреляции x(j) по j принимает вид следующего матричного уравнения:

где

s₁= ₁ ²+ ₂ ²+... + _n ²+ , s₂= _{1 2}+ _{2 3}+... + _{n-1 n}, s₃= _{1 3}+ _{2 4}+... + _{n-2 n},... ,

s_n= _{1 n}, s^' ₁= _{1 1}+ _{2 2}+... + _{n n}, s^' ₂= _{1 2}+ _{2 3}+... + _{n-1 n},

s^' ₃= _{1 3}+ _{2 4}+... + _{n-2 n},... , s^' _n= _{1 n}, s₂ ^'*= _{1 2}+ _{2 3}+... + _{n-1 n},

s^'* ₃= _{1 3}+ _{2 4}+... + _{n-2 n},... , s^'* _n= _{1 n}, s^'' ₁= ₁ ²+ ₂ ²+... + _n ²+b,

s^'' ₂= _{1 2}+ _{2 3}+... + _{n-1 n}, s^'' ₃= _{1 3}+ _{2 4}+... + _{n-2 n},... , s^'' _n= _{1 n}.

Параметры a и b подбираются эмпирически.

Другой подход к расчету весовых коэффициентов при наличии измерений двух каналов (1) сводится к следующему. Модель (1) представляется в виде матричного уравнения Y=F· X+W, где Y - вектор-столбец 2m измерений, F - матрица коэффициентов размерности (2m)× (m+n-1), Х - вектор-столбец m+n-1 неизвестных параметров, W - вектор-столбец 2m ошибок измерения:

Для известного закона распределения ошибок W вектор оценок неизвестных параметров Х находится методом наибольшего правдоподобия, который в случае нормального распределения приводит к стандартным оценкам метода наименьших квадратов (МНК) вида

где “-1” символ обратной матрицы; H=(F^TF)1 ^-1F^T - матрица весовых коэффициентов размерности (m+n-1)× 2m.

Для независимых ошибок измерения w N(0, _w) корреляционная матрица К_Е размерности (m+n-1)× (m+n-1) ошибок оценивания вычисляется по формуле

K_E= ² _w(F^TF)^-1,

где ^w ₂ - дисперсия случайных величин wj и w'j j, а диагональные элементы этой матрицы представляют дисперсии ошибок оценивания x₁, x₂, ... , x_m+n-1 .

Соответствующая оценка получается из k-й строки матрицы (2), где k=(m+n)/2. Последовательность оценок вычисляется по формуле

где h(i) - элементы k-й строки матрицы Н в (2).

Предлагаемый способ позволяет в несколько раз повысить разрешающую способность РЛС по азимуту в режиме реального луча с увеличением зоны обзора РЛС по азимуту, сформировать матрицу радиолокационного изображения в виде совокупности амплитуд сигналов, отраженных от соответствующих i,j-x элементов пространства, которая позволяет наблюдать на экране индикатора воздушную обстановку или поверхность и объекты на поверхности в условиях отсутствия оптической видимости, что повышает безопасность полетов и эффективность решения поставленных перед летчиком задач.