способ измерения угла места целей при наличии отражений принимаемого эхосигнала от земной поверхности и импульсная наземная трехкоординатная радиолокационная станция для его реализации

Формула изобретения

1. Способ измерения угла места целей при наличии отражений принимаемого эхосигнала от земной поверхности на основе настройки измерителя угла места целей на интервал углов прихода эхосигнала с учетом отражений принимаемого эхосигнала от земной поверхности и измерения угла места цели преимущественно в метровом диапазоне волн при обнаружении низколетящих целей путем пространственной фильтрации в угломестной плоскости и определения положения максимума отклика сканирующей в вертикальной плоскости угломестной диаграммы направленности антенной решетки, отличающийся тем, что пространственную фильтрацию осуществляют на основе комплексного сопряжения суммы принятого от цели эхосигнала и его отражения от подстилающей поверхности, модельно приближенной к реальному рельефу земной поверхности позиции РЛС, при этом пространственные фильтры формируют в соответствии с весовыми комплексными коэффициентами _i, которые определяют с привлечением априорной информации, содержащейся в цифровых картах местности, по формуле

где черта сверху означает комплексное сопряжение,

при этом - напряжение, создаваемое на i-м приемном элементе антенной решетки волной, отраженной непосредственно от цели; - напряжение, создаваемое на i-м приемном элементе антенной решетки волной, переотраженной от земной поверхности,

где _ц - угол в вертикальной плоскости прихода волны, отраженной непосредственно от цели;

_н(х,z) - угол наклона элементарной площадки dxdz земной поверхности;

R_x,y,z - радиус-вектор расположения приемного элемента антенной решетки относительно площадки dxdz земной поверхности;

h(x,z)- перепад высот рельефа земной поверхности.

2. Импульсная наземная трехкоординатная радиолокационная станция, обеспечивающая измерение угла места при обнаружении низколетящих целей в условиях отражений принимаемого эхосигнала от земной поверхности, содержащая N-элементную антенную решетку, передающее устройство и многоканальную систему приема, преобразования и обработки радиолокационных сигналов для обнаружения целей и измерения их координат с учетом отражений принимаемого эхосигнала от земной поверхности, отличающаяся тем, что многоканальная система приема, преобразования и обработки радиолокационных сигналов для измерения угла места цели и определения на его основе высоты цели выполнена в виде соединенных через антенные коммутаторы с антенной решеткой N приемных каналов, включающий каждый в направлении по ходу принимаемого сигнала последовательно соединенные приемник и аналого-цифровой преобразователь с подключением формирователя тест-сигнала к введенным в каналы перед приемником направленным ответвителям и процессора амплитудно-фазовой автоподстройки к точкам съема преобразованного сигнала и устройствам комплексного умножения в каналах после аналого-цифрового преобразователя, причем приемные каналы подсоединены к измерителю угла места целей, который содержит устройство формирования М угломестных каналов путем дискретного преобразования Фурье, соединенное своими входами через оптимальные к излучаемому сигналу фильтры сжатия с выходами N приемных каналов и своими выходами с входами М угломестных каналов, каждый из которых включает в себя последовательно соединенные амплитудный детектор и некогерентный накопитель с подсоединением последнего к одному из входов устройства отбора максимального отклика на принятый сигнал сканирующей по углу места диаграммы направленности антенной решетки для определения угла места цели, при этом к устройству формирования М угломестных каналов путем дискретного преобразования Фурье подсоединено устройство расчета весовых коэффициентов пространственных фильтров, к которому, в свою очередь, подключено устройство загрузки и хранения цифровых карт местности, а устройство отбора максимального отклика на принятый сигнал сканирующей по углу места диаграммы направленности антенной решетки подсоединено к входу устройства предварительной обработки, формирования и выдачи кодограмм со значениями измеренных координат, на второй вход которого поступают измеренные значения дальности и азимута цели.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для определения угла места целей при многолучевом распространении отраженного от цели сигнала, в частности в наземной трехкоординатной радиолокационной станции (РЛС) кругового обзора метрового диапазона волн с фазированной антенной решеткой (ФАР), а также в других РЛС обнаружения и сопровождения воздушных объектов.

При определении угловых координат цели одним из проблемных вопросов является снижение точности измерения угла места обнаруженной цели, обусловленное многолучевым распространением отраженного от цели сигнала. Переотражаемые земной поверхностью сигналы векторно суммируются на приемных элементах ФАР с сигналами, приходящими непосредственно от цели, вызывая искажения амплитудного распределения и фазового фронта волны, отраженной от цели и характеризующие угол места цели. Это приводит к необходимости поиска новых методов обработки радиолокационных сигналов, направленных на повышение точности измерения угла места целей, особенно находящихся под малыми углами, когда ошибки измерения становятся недопустимо большими.

Известный в источниках информации арсенал способов решения указанной проблемы характеризуется различными методами углового разрешения в условиях отражений принимаемого эхосигнала цели от земной поверхности. Суть данных способов сводится, в основном, к разнообразным методам ослабления последствий многолучевого распространения радиоволн на малых углах места с особенностями в зависимости от способа измерения угловой координаты и селекции по угловому положению отраженного от земной поверхности эхосигнала, незначительно отличающегося по амплитуде от эхосигнала, отраженного от цели, а также к учету влияния условий многолучевого распространения над земной поверхностью, на основе использования цифровых угломестных данных о местности, содержащих сведения о возможных мешающих отражениях [1].

При этом моноимпульсные способы измерения угла места целей имеют преимущества, как наиболее устойчивые к шумовым и динамическим ошибкам измерения. Кроме того, для них разработаны специальные методы повышения точности измерения при условиях многолучевого распространения радиоволн, такие как увеличение разрешающей способности по углу места, перестройка частоты и работа на многих частотах одновременно, внеосевое моноимпульсное сопровождение, использование симметричных разностно-суммарных и асимметричных диаграмм направленности (ДН), комплексных углов, экранирование позиций РЛС, использование круговой поляризации и данных о высоте, получаемых из других источников, применение парных антенн в угломестной плоскости и другие [2].

Тем не менее, сравнительный анализ этих методов позволяет сделать вывод об отсутствии универсального метода, позволяющего ослабить влияние многолучевого распространения радиоволн на точность измерения угла места в различных условиях работы РЛС по низколетящим целям. Большинство из этих методов направлены в основном только на обеспечение непрерывности слежения в области горизонта (дальней зоне) и не дают надежных данных по определению угла места и высоты цели. Лишь отдельные из них способны поддерживать приемлемую точность слежения в области главного лепестка ДН антенной решетки. В наиболее эффективном из них, методе асимметричных ДН исключаются погрешности измерений за счет зеркальных отражений и минимизируются эффекты рассеяния радиоволн в области горизонта, но за счет увеличения вертикальных размеров антенной решетки и усложнения конструкции, как и при реализации метода внеосевых моноимпульсных измерений.

К моноимпульсным способам относится также известный способ определения угла места низколетящей цели при многолучевом распространении отраженного от цели сигнала, представляющий собой комплексный анализ измерения угла места цели путем квадратурной обработки отраженного от цели сигнала для выделения нулевого значения мнимой составляющей и позволяющий без сложных конструктивных изменений существующих РЛС оценивать угол места цели по отношению высоты центра антенны над подстилающей поверхностью к длине волны РЛС, для которых значение мнимой составляющей равно нулю [3].

Но данный способ позволяет получить приемлемый результат только при зеркальном отражении эхосигнала цели от подстилающей поверхности, представляющей плоскую отражающую площадку.

Известны также способы, применяемые в условиях отражений от земной поверхности принимаемого эхосигнала от цели, находящейся под малым углом места, основанные на компенсации переотраженного сигнала, в частности посредством формирования в области отрицательных углов места зон режекции путем синтеза набора нулей, настроенных на ожидаемые углы прихода отраженного от земли эхосигнала [4].

Однако такие способы измерения угла места имеют ряд ограничений, связанных с тем, что при формировании зон режекции в области ближнего бокового фона, необходимых для измерения малых, по сравнению с угловой шириной луча, углов места целей, происходит искажение главного лепестка ДН антенной решетки в вертикальной плоскости. Как следствие, происходит уменьшение коэффициента направленного действия антенны. А это приводит к снижению устойчивости алгоритма по отношению к шумовой составляющей ошибки, особенно проявляющейся при малых отношениях сигнал-шум, соответствующих границам зоны обнаружения РЛС. Еще одним недостатком данных способов является то, что расчет угловых направлений зон режекции производится под конкретную, как правило, плоскую отражающую поверхность. В условиях реальной отражающей поверхности, отличающейся от плоской, углы прихода отраженных от земной поверхности эхосигналов не совпадают с расчетными. Это, в свою очередь, приводит к снижению точности измерения угла места цели.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ измерения угла места целей путем настройки измерителя угла места целей на интервал углов прихода принимаемого сигнала в вертикальной плоскости антенной решетки с учетом переотражений принимаемого сигнала от земной поверхности. В этом способе измерение угла места цели, преимущественно в метровом диапазоне волн, производится по положению максимума отклика угломестной ДН антенной решетки при обнаружении низколетящих целей методом внутриимпульсного сканирования угломестным лучом с оптимальной обработкой принятого от цели сигнала и его переотражения от земной поверхности [5].

Недостатком данного, выбранного в качестве прототипа, способа является ограничение его работоспособности условием плоской земной поверхности, допускающей регулярные наклоны до 20'. При усложнении рельефа земной поверхности точность измерения угла места целей при применении этого способа снижается и возрастают потери в отношении сигнал-шум.

В качестве прототипа предлагаемой РЛС для реализации заявляемого способа выбрана РЛС с системой обработки электромагнитных сигналов, отраженных от низколетящих целей непосредственно и переотраженных от земной поверхности, содержащая N-элементную антенную решетку для приема сигналов, поступающих на N детекторов, каждый из которых расположен в отдельном канале, демодулятор для преобразования продетектированных сигналов и формирования последовательности из N комплексных сигналов Х _m, соответствующих своим каналам, матрицу комплексных весовых коэффициентов М_mn для образования последовательности из N комплексных сигналов , устройство определения суммарной мощности группы из N комплексных сигналов Х'_n и устройство последовательного изменения комплексных весовых коэффициентов M_mn для минимизации общей мощности [6].

Система обработки основана на зависимости комплексного весового коэффициента, оцениваемого адаптивной матрицей весовых коэффициентов и фазового сдвига настраиваемых фазовращателей, рассчитываемого компьютером, входящим в состав системы, от угла места цели и угла места зеркального отражения цели, а минимизация сигнала ошибки обеспечивает наилучшую оценку угла места цели.

Однако этот итерационный метод приводит к увеличению временных затрат на обработку принимаемых сигналов с целью измерения угла места целей, кроме того, использование фазовращателей и, как следствие, устройства управления ими влечет дополнительные аппаратурные затраты.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение эффективности работы РЛС, преимущественно в метровом диапазоне волн при измерении угла места целей за счет повышения точности измерения и увеличения отношения сигнал-шум в результате оптимальной адаптации к рельефу земной поверхности с учетом информации о параметрах реальной отражающей поверхности переотражения и рельефе позиции РЛС и пространственной фильтрации суммы отраженного от цели сигнала и его переотражения от земной поверхности, дающей полезную дополнительную энергетику от целей, находящихся под малыми углами места, а также универсализация способа измерения угла места целей в отношении применимости к различным видам рельефа при работе по низколетящим целям.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения угла места целей наземной РЛС при наличии отражений принимаемого эхосигнала от земной поверхности на основе настройки измерителя угла места целей на интервал углов прихода эхосигнала в вертикальной плоскости антенной решетки с учетом отражений принимаемого эхосигнала от земной поверхности и измерения угла места цели, преимущественно, в метровом диапазоне волн при обнаружении низколетящих целей путем пространственной фильтрации в угломестной плоскости и определения положения максимума отклика сканирующей в вертикальной плоскости угломестной ДН антенной решетки пространственную фильтрацию осуществляют на основе комплексного сопряжения суммы принятого от цели эхосигнала и его отражения от подстилающей поверхности, модельно приближенной к реальному рельефу земной поверхности позиции РЛС, при этом пространственные фильтры формируют в соответствии с весовыми комплексными коэффициентами _i, которые определяют с привлечением априорной информации, содержащейся в цифровых картах местности, по формуле:

где черта сверху означает комплексное сопряжение, при этом

- напряжение, создаваемое на i-м приемном элементе антенной решетки волной, отраженной непосредственно от цели;

- напряжение, создаваемое на i-м приемном элементе антенной решетки волной, переотраженной от земной поверхности;

где

_ц - угол в вертикальной плоскости прихода волны, отраженной непосредственно от цели;

_Н(x,z) - угол наклона элементарной площадки dxdz земной поверхности;

R_x,y,z - радиус-вектор расположения приемного элемента антенной решетки относительно площадки dxdz земной поверхности;

h(x,z) - перепад высот рельефа земной поверхности.

Для реализации предлагаемого способа в импульсной наземной трехкоординатной РЛС, обеспечивающей измерение угла места при обнаружении низколетящих целей в условиях отражений принимаемого эхосигнала от земной поверхности, содержащей N-элементную антенную решетку, передающее устройство и многоканальную систему приема, преобразования и обработки радиолокационных сигналов для обнаружения целей и измерения их координат с учетом отражений принимаемого эхосигнала от земной поверхности, многоканальная система приема, преобразования и обработки радиолокационных сигналов для измерения угла места цели и определения на его основе высоты цели выполнена в виде соединенных через антенные коммутаторы с антенной решеткой N приемных каналов, включающих каждый в направлении по ходу принимаемого сигнала последовательно соединенные приемник и аналого-цифровой преобразователь с подключением формирователя тест-сигнала, к введенным в каналы перед приемником направленным ответвителям, и процессора амплитудно-фазовой автоподстройки к точкам съема преобразованного сигнала и устройствам комплексного умножения в каналах после аналого-цифрового преобразователя (АЦП), причем приемные каналы подсоединены к измерителю угла места целей, который содержит устройство формирования М угломестных каналов путем дискретного преобразования Фурье, соединенное своими входами через оптимальные к излучаемому сигналу фильтры сжатия с выходами N приемных каналов и своими выходами с входами М угломестных каналов, каждый из которых включает в себя последовательно соединенные амплитудный детектор и некогерентный накопитель с подсоединением последнего к одному из входов устройства отбора максимального отклика на принятый сигнал сканирующей по углу места ДН антенной решетки для определения угла места цели, при этом к устройству формирования М угломестных каналов путем дискретного преобразования Фурье подсоединено устройство расчета весовых коэффициентов пространственных фильтров, к которому, в свою очередь, подключено устройство загрузки и хранения цифровых карт местности, а устройство отбора максимального отклика на принятый сигнал сканирующей по углу места ДН антенной решетки подсоединено к входу устройства предварительной обработки, формирования и выдачи кодограмм со значениями измеренных координат, на второй вход которого поступают измеренные значения дальности и азимута цели.

Оптимизация пространственной фильтрации в соответствии с предложенными весовыми коэффициентами, определяемыми на основе известных параметров рельефа земной поверхности с использованием принимаемого эхо сигнала, отраженного от земной поверхности, в качестве полезного, дающего дополнительную энергетику от цели для увеличения отношения сигнал-шум и качества измерения углов места целей, существенно меньших, чем ширина луча ДН в вертикальной плоскости, обеспечивает увеличение точности измерения угла места целей, имеющее большое практическое значение для радиолокации, особенно при работе в метровом диапазоне волн.

Причем измерение углов места целей предлагаемым способом имеет более высокую точность, как в сравнении со способом-прототипом, учитывающем эхосигнал, отраженный от плоской земной поверхности, так и в сравнении с аналогом - распространенным в радиолокации способом, предусматривающим режекцию этого сигнала, как помехового, что иллюстрирует последующее изложение осуществления заявляемого способа в настоящем описании изобретения.

Кроме рассмотренных выше, известен метод малых наклонов для расчетов рассеяния радиоволн подстилающей поверхностью в задачах дистанционного зондирования [7], который мог бы рассматриваться в качестве метода повышения разрешающей способности РЛС, наиболее актуального при сопровождении целей на малых углах места, но он ограничен работоспособностью выведенной в этом методе структурной функции, применимой только для пологих неровностей поверхности произвольной высоты.

Другой известный способ и устройство для определения угломестной ошибки многолучевого радиолокационного датчика, предполагающие занесение в память системы обработки сигнала значений ДН датчика в нескольких отстоящих одна от другой на заданные расстояния вертикальных плоскостях в нормированной параметрической форме в зависимости от угла места [8], также малоэффективны при решении задачи измерения угла места целей, так как ограничены в применении: долгосрочное накопление результатов радиолокационных измерений, позволяющее определить по соответствующей гистограмме угол переюстировки радиолокационного датчика, требует больших временных затрат.

Таким образом анализ уровня техники подтверждает новизну заявленной совокупности признаков в объеме двух самостоятельных пунктов формулы изобретения-способа и устройства для его осуществления, а неизвестность отличительных признаков в известных радиолокационных средствах для измерения угла места целей по вытекающему из формулы изобретения назначению является основанием для утвердительного вывода о соответствии заявленного изобретения критерию патентоспособности "изобретательский уровень".

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ и представляющего собой структурную часть предлагаемой трехкоординатной импульсной РЛС, предназначенную для определения угла места и высоты цели;

на фиг.2 и 3 - отклики угломестной ДН антенной решетки с шириной луча _л=3°, соответственно, при _ц=2° и _ц=1°, поясняющие образование зоны нечувствительности измерений в области малых углов места цели, при осуществлении внутриимпульсного сканирования антенным лучом без дополнительной обработки суммы эхосигнала от цели и его отражения от плоской земной поверхности;

на фиг.4 - угломестная пеленгационная характеристика, подтверждающая устойчивость зон нечувствительности измерений угла места цели при условиях, соответствующих фиг.2 и 3;

на фиг.5 - угломестная пеленгационная характеристика, показывающая увеличение точности измерения углов места целей РЛС при работе по способу-прототипу в случае отражения принимаемого эхосигнала от плоской земной поверхности, рассчитанная при отношении сигнал-шум, равном 25 дБ;

на фиг.6 и 7 - соответственно угломестная пеленгационная характеристика и проводка цели по высоте, свидетельствующие о снижении точности измерения угла места и высоты цели при осуществлении способа-прототипа при реальном рельефе земной поверхности;

на фиг.8 и 9 - соответственно угломестная пеленгационная характеристика и проводка цели по высоте, подтверждающие увеличение точности измерения угла места и высоты цели при осуществлении заявляемого способа при реальном рельефе земной поверхности, одинаковом с рельефом для фиг.6 и 7;

на фиг.10 и 11 - соответственно угломестная пеленгационная характеристика и проводка цели по высоте, показывающие для сравнения снижение точности измерения угла места цели при осуществлении способа-аналога с режекцией переотраженного от земной поверхности принимаемого сигнала от цели, как помехового, при реальном рельефе земной поверхности, одинаковом с рельефом для фиг.6-9;

на фиг.12 - профиль рельефа земной поверхности, взятого в качестве примера для фиг.6-11;

на фиг.13 - амплитудные характеристики сканирующих фильтров с настройкой по заявляемому способу и без него, подтверждающие дополнительный выигрыш в отношении сигнал-шум.

Предлагаемая РЛС для реализации заявляемого способа, в настоящем конкретном примере выполнения, представляющая собой трехкоординатную импульсную РЛС кругового обзора, преимущественно метрового диапазона волн в объеме ее структурной части, предназначенной для определения угла места цели и оценки на его основе высоты цели, содержит (см. фиг.1) N-элементную антенную решетку 1, подключенное к ней через блок антенных коммутаторов 2 передающее устройство 3 и соединенную с антенной решеткой 1 через СВЧ-переключатели многоканальную систему приема, преобразования и обработки сигналов для измерения координат цели, включающую в себя N приемных каналов. Каждый из приемных каналов содержит в направлении по ходу принимаемого сигнала последовательно соединенные приемник 4 и АЦП 5 с подключением формирователя тест-сигнала 7 к введенным в каналы перед приемником 4 направленным ответвителям 6, и процессора амплитудно-фазовой автоподстройки 8 к точкам съема преобразованного сигнала и устройствам комплексного умножения в каналах после АЦП 5. Приемные каналы подсоединены к измерителю угла места целей 9, схема которого содержит устройство, обеспечивающее формирование М угломестных каналов путем дискретного преобразования Фурье 10 с подсоединением приемных каналов к его входам через оптимальные к излучаемому сигналу фильтры сжатия 11. Каждый из угломестных каналов включает последовательно соединенные амплитудный детектор 12, и некогерентный накопитель 13 с подсоединением последнего к одному из входов устройства отбора максимального отклика на принятый сигнал сканирующей по углу места ДН антенной решетки 14. При этом к устройству, обеспечивающему формирование М угломестных каналов путем дискретного преобразования Фурье 10, подсоединено устройство расчета весовых коэффициентов пространственных фильтров 15, к которому, в свою очередь, подключено устройство загрузки и хранения цифровых карт местности 16, а устройство отбора максимального отклика на принятый сигнал сканирующей по углу места ДН антенной решетки 14 подсоединено ко входу устройства предварительной обработки, формирования и выдачи кодограмм со значениями измеренных координат 17, на второй вход которого поступают измеренные значения дальности и азимута цели с устройства 18, соединенного с приемными каналами на их участках перед фильтрами сжатия 11.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом.

Излученные с помощью передающего устройства 3 (см. фиг.1) сигналы после переключения посредством антенных коммутаторов 2 антенной решетки 1 в режим передачи принимают при включенных СВЧ-переключателях приемных каналов вернувшимися на антенную решетку 1 двумя путями: после отражения сигнала непосредственно от цели (эхосигнала) и после отражения эхосигнала от земной поверхности, таким образом образующих суперпозицию принятых прямого эхосигнала и отраженного от земной поверхности эхосигнала. После преобразования суммарных сигналов на видеочастоту последние с приемников 4 поступают на входы АЦП 5, в которых сигналы преобразуются в цифровой вид для подачи на вход измерителя угла места цели 9. Для устранения ошибок измерения угла места целей, обусловленных отклонениями характеристик аналоговых устройств приемного тракта от идеальных применяется процессор фазово-амплитудной автоподстройки 8, принцип работы которого основан на вычислении корректирующих комплексных коэффициентов для каждого из N приемных каналов, определение которых производится по специальному тест-сигналу, подаваемому с формирователя 7 в приемный тракт через направленные ответвители 6, и выравнивании амплитудных и фазовых характеристик приемных каналов за счет умножения входных сигналов на данные коэффициенты.

Таким образом, оцифрованные сигналы в виде последовательности из N комплексных электрических сигналов Х_n, каждый из которых соответствует определенному каналу, подаются на вход измерителя угла места целей 9.

Последовательность сигналов Х_n, полученная на выходах АЦП 5 и прошедшая обработку в оптимальных по отношению к излучаемому сигналу фильтрах сжатия 11, поступает на матрицу комплексных весовых коэффициентов _i=W_nm в устройстве 10 для образования последовательности из N комплексных электрических сигналов Y _nm=W_nm×X_n, которые суммируют по числу приемных каналов в каждом из формируемых М каналов:

При этом коэффициенты W_nm определяют в устройстве 15 по формуле (1): , где U_Н(y_nm) и U_З (y_nm) рассчитывают в соответствии с формулами (2) и (3), используя информацию о рельефе позиции - h(x,z) из цифровых карт местности, хранящуюся в устройстве 16. На выходе из устройства 10 в каждом из М угломестных каналов производится амплитудное детектирование сигналов Y_m в детекторе 12 и некогерентная обработка азимутальной пачки сигналов с помощью накопителя 13 для увеличения отношения сигнал-шум на выходе из детекторов 12. Далее в устройстве 14 производится анализ сигналов с целью отыскания фильтра с максимальной амплитудой выходного сигнала и выбранному фильтру ставится в соответствие определенный угол места. Измеренное таким образом значение угла места цели объединяется с соответствующими ему измеренными значениями дальности и азимута, поступающими из устройства 18, в устройстве предварительной обработки 17 и выдается в виде кодограммы внешним потребителям.

Для пояснения причин снижения точности измерения угла места целей, находящихся под малыми углами в условиях многолучевого распространения эхосигналов и их отражений от земной поверхности с сложным рельефом и обоснования повышения эффективности измерения угла места целей при осуществлении заявляемого способа в результате увеличения точности измерения и отношения сигнал-шум в сравнении с известными методами измерения угла места целей, на фиг.2-13 приведены результаты математического моделирования измерителя угла места целей, функциональная схема которого показана на фиг.1, с привлечением экспериментальных данных, полученных в результате записи амплитудно-фазовых распределений сигналов по апертуре антенной решетки РЛС, отраженных от реальных воздушных целей по трассе их полета. При этом ширина приемного луча антенной решетки в угломестной плоскости составила 3°, а все параметры, используемые в модели, соответствуют характеристикам серийно выпускаемой РЛС.

Значительный вклад в полную ошибку измерения угла места целей вносит ошибка, обусловленная отражениями эхосигнала от земной поверхности. Данная ошибка зависит от координат цели, рельефа и характера позиции вокруг РЛС, метеоусловий и ряда других факторов. Для метрового диапазона этот эффект усиливается тем, что модуль теоретического коэффициента отражения сигнала от земной поверхности близок к единице в достаточно большом секторе углов падения волн.

То есть принципиальным обстоятельством, ограничивающим точность измерения малых углов места воздушных объектов, является существование эхосигналов, отраженных от земной поверхности, - "земных" сигналов. Интерферируя с сигналами, поступающими непосредственно от цели, - "небесными" сигналами, они ("земные" сигналы) приводят к образованию в области малых углов места зоны нечувствительности, в которой результаты измерения практически не зависят от истинного направления на цель.

Для объяснения причины этого эффекта охарактеризуем принципы работы и выходные сигналы измерителя угла места целей, основанного на внутриимпульсном сканировании антенным лучом в вертикальной плоскости и измерении положения максимума огибающей выходного сигнала. При этом на выходе измерителя образуется импульс S( (t)), форма которого описывается угломестной ДН антенной решетки, а положение максимума однозначно связано с углом места цели _ц. При наличии отражений от подстилающей поверхности, вследствие принципа суперпозиции, на выходе измерителя возникают два импульса, соответствующие "небесному" и "земному" сигналам.

Для цели, находящейся под углом места большим полуширины ДН в угломестной плоскости (например, при _ц=2°), эти импульсы разрешимы и наличие "земного" сигнала не оказывает существенного влияния на положение максимума "небесного" сигнала, (см. фиг.2). При уменьшении угла места цели сигналы сближаются и при значении угла места, равном или меньшем полуширины антенного луча (например, при _ц=1°) образуют единый импульс с максимумом на нулевом угле места (см. фиг.3).

При дальнейшем уменьшении угла места цели максимум огибающей сигнала практически перестает смещаться и не зависит от истинного направления на цель. Этим и объясняется наличие зоны нечувствительности.

Для иллюстрации данного эффекта на фиг.4 приведена угломестная пеленгационная характеристика, то есть зависимость измеренного угла места ( _изм) от истинного ( _ист), для случая горизонтальной плоской идеально проводящей отражающей поверхности.

Таким образом, наличие отражения от земной поверхности приводит к тому, что на элементах антенной решетки происходит сложение двух эхосигналов - прямого и отраженного, что создает проблему обработки суммарного сигнала, приводящую к снижению точности при измерении угла места целей. Поэтому для достижения высоких точностей измерения угла места целей в условиях отражения эхосигналов от подстилающей поверхности обработка принятого суммарного сигнала должна производиться иным способом.

При осуществлении способа-прототипа происходит повышение точности измерения: см. угломестную пеленгационную характеристику на фиг.5, рассчитанную при отношении сигнал-шум, равном 25 дБ. Но обеспечение работоспособности способа-прототипа с учетом отражений принимаемого эхосигнала от земной поверхности происходит только при земной поверхности, близкой к идеально ровной отражающей площадке.

Действительно, переход к подстилающей поверхности в виде частного примера реального рельефа земной поверхности, приводит к отрицательному результату применения способа-прототипа: см. угломестную пеленгационную характеристику и проводку цели по высоте на фиг.6 и 7. Это объясняется тем, что при более сложном рельефе позиции РЛС происходит несовпадение параметров реальной отражающей поверхности с параметрами пространственных фильтров, рассчитанных для ровной отражающей поверхности. Это приводит к рассогласованию фильтров по отношению к принятому сигналу и, как следствие, к снижению точности измерения угла места и высоты полета цели.

Аналогичные характеристики (см. фиг.8 и 9) для того же частного примера реального рельефа земной поверхности, свидетельствуют о положительном результате применения заявляемого способа, объясняемом тем, что весовые коэффициенты пространственных фильтров рассчитаны в данном случае с учетом параметров реальной отражающей площадки.

Технический результат при осуществлении заявляемого способа такой же и в сравнении с пеленгационной характеристикой и проводкой цели по высоте (см. фиг.10 и 11), характеризующимися более низкой точностью определения угла места цели при осуществлении способа-аналога, основанного на режекции отраженного от земной поверхности эхосигнала цели, как мешающего (помехового), а не полезного - в заявляемом случае для того же частного примера земной поверхности, рельеф которой, общий для всех приведенных вышеописанных случаев, показан на фиг.12.

Таким образом, сопоставительный анализ с прототипом и указанным аналогом показывает, что заявленное изобретение отличается новыми операциями и порядком их проведения с остальными операциями способа. Кроме того, сравнение заявленного способа с другими аналогами показывает, что отсутствуют технические решения с признаками, одинаковыми с признаками, отличающими заявленный способ от прототипа.

Моделирование дало следующие показанные в таблице величины ошибок определения высоты полета целей для различных дальностных участков целей _Н, летящих по изовысотной траектории на высоте 10 км в радиальном направлении на РЛС.

Таблица
D, км	н, м
	Способ-прототип (см. фиг.7)	Способ-аналог с режекцией (см. фиг.11)	Заявленный способ (см. фиг.9)
30-100	443	188	167
100-200	659	519	204
200-300	459	1085	537
30-300	529	702	345

Кроме того, моделирование показало возможность достижения с помощью предлагаемого изобретения достаточно высоких точностей измерения угла места целей независимо от характера рельефа отражающей поверхности, в частности:

(что составляет 1/10 от ширины луча), при _Н=345 м (в сравнении с _Н =529 м в способе-прототипе), то есть подтверждается достижение поставленной цели.

На фиг.13 приведены амплитудные характеристики, определяющие зависимость от угла места амплитуды сигнала на выходе измерителя для случая сканирования пространственными фильтрами, оптимальными для свободного пространства и при наличии переотражений от земной поверхности, подтверждающие дополнительный выигрыш в отношении сигнал-шум.

Источники информации

1. Хайнер Кушел, VHF/UHF radar. Part 1: Characteristics. - "ELECTRONICS & COMMUNICATION ENGINEERING JOURNAL", April 2002, p.61-72.

2. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация М., Радио и связь, 1984 г., с.119-125.

3. Патент РФ №2080619, МПК G 01 S 13/44, опубл. 1997 г.

4. Патент США №3836929, МПК G 01 S 3/06, опубл. 1974 г.

5. Авторское свидетельство СССР №135957, авторы Зачепицкий А.А. и др., МПК G 01 S 3/14, (передано в открытый фонд ФИПС исх. ОРСД ФИПС №10171/38 от 15.12.03 г.).

6. Патент США №4316191, МПК G 01 S 3/06, опубл. 1982 г.

7. Колмыков А.И., Фукс И.М. Проблемы рассеяния радиоволн подстилающей поверхностью в задачах дистанционного зондирования. Научно-технический сборник. Международная научно-техническая конференция "Современная радиолокация 94" Киев, 1994 г., Выпуск 1, с.10-11.

8. Заявка ЕПВ №1118020, МПК G 01 S 13/48, G 01 S 3/42, опубл. 2001 г.