Патент на изобретение №2292060

(54) СПОСОБ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ВОЗДУШНЫМИ ОБЪЕКТАМИ И ПОВЕРХНОСТЬЮ НА БАЗЕ БОРТОВОЙ РЛС

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным системам наблюдения за воздушной обстановкой и поверхностью на базе бортовой РЛС, работающей в режиме “реального луча”, с электронным сканированием. Технический результат заключается в повышении разрешающей способности по азимуту и углу места в заданных сечениях дальности с сохранением области обзора РЛС по азимуту и углу места и увеличение точности оценивания амплитуд сигналов в синтезированных элементах разрешения. Технический результат достигается тем, что в известном способе, основанном на работе в режиме реального луча с электронным сканированием, заключающийся в формировании матрицы радиолокационного изображения воздушной обстановки или поверхности в срезах дальности, при этом за счет быстрого электронного переключения луча РЛС смещают луч по азимуту и углу места построчно соответственно на величину n-й и m-й части ширины ДНА в зоне обзора, измеряют амплитуды сигналов отражения при каждом i,j-м положении луча и формируют из этих амплитуд матрицу измерений y(i,j), , , суммарного канала, которую далее обрабатывают, дополнительно формируют матрицу измерений y'(i,j), разностного канала, затем обрабатывают полученные матрицы для каждого i, j-го положения луча, при этом элементы матриц y(i+k, j+1) и y'(i+k, j+1), суммируют с весами h(k,l) и h'(k,l) и оценивают амплитуду x(i,j), указанные операции повторяют для всех i, j в зоне обзора и тем самым получают матрицу оценок амплитуд . 3 табл.

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным системам наблюдения за воздушной обстановкой и поверхностью на базе бортовой РЛС, работающей в режиме “реального луча” с электронным сканированием.

При наблюдении бортовой РЛС (БРЛС) за группой воздушных объектов или поверхностью в режиме реального луча осуществляется построчное сканирование лучом РЛС заданного сектора пространства путем последовательного смещения луча по азимуту и углу места на ширину диаграммы направленности антенны (ДНА). Четкость радиолокационного изображения (РЛИ) и точность определения угловых координат объектов в срезах дальности при таком способе наблюдения ограничена шириной ДНА. При наблюдении за одиночными воздушными объектами известны методы пеленгации для определения угловых координат (Финкельштейн М.И. Основы радиолокации: Учебник для вузов. М.: Радио и связь, 1983. 536 с.). Однако при наличии группы объектов в одном сечении дальности в пределах одной ДНА (тем более при наблюдении за поверхностью) такие методы не работают. Возникает проблема повышения разрешения РЛС совместно по азимуту и углу места в режиме “реального луча” путем синтезирования новых элементов разрешения с угловыми размерами, меньшими ширины ДНА, в заданных сечениях дальности.

Наиболее близким по технической сущности является способ синтезирования новых элементов разрешения по азимуту при переднем обзоре в режиме “реального луча” (Пат.2249832 РФ. Способ наблюдения за поверхностью на базе бортовой РЛС / В.К.Клочко, Г.Н.Колодько, В.И.Мойбенко, А.А.Ермаков (РФ). Заявка №2003126516. Приоритет 02.09.03), который заключается в следующем. Повышение разрешающей способности с расширением зоны обзора РЛС по азимуту и формирование матрицы радиолокационного изображения поверхности в режиме реального луча с электронным сканированием достигается за счет быстрого электронного переключения (смещения) луча РЛС по азимуту на величину n-й части ширины ДНА и обработки полученных при каждом положении луча амплитуд отраженных сигналов РЛС, которая заключается в следующем.

1. Амплитуды отраженных сигналов на выходе суммарного канала РЛС y₁, y₂, …, y_n, полученные при n первых положениях луча РЛС в данном i-м элементе разрешения по дальности суммируются с весами h₁, h₂, …, h_n, которые вычисляются по определенной методике. Результатом такой обработки является оценка 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 x_n+1, x_n+2, …, x_N:

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

Однако такой способ обладает следующими недостатками.

1. В указанном способе повышение разрешающей способности достигается только по одной угловой координате – азимуту.

2. Указанный способ не применим при наблюдении за группой воздушных объектов, расположенных в одном сечении (элементе разрешения) дальности и в пределах одной ДНА, т.е. не различимых по угловым координатам.

3. Использование данных только одного суммарного канала РЛС дает оценки амплитуд с ограниченной точностью.

Технический результат направлен на совместное повышение разрешающей способности по азимуту и углу места в заданных сечениях дальности с сохранением области обзора РЛС по азимуту и углу места и увеличение точности оценивания амплитуд сигналов в синтезированных элементах разрешения.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что при наблюдении за воздушной обстановкой или поверхностью с помощью бортовой РЛС в режиме реального луча с электронным сканированием формируют матрицу радиолокационного изображения воздушной обстановки или поверхности в срезах дальности, при этом за счет быстрого электронного переключения луча РЛС смещают луч по азимуту и углу места построчно соответственно на величину n-й и m-й части ширины ДНА (на уровне 0,5 мощности) в зоне обзора, измеряют амплитуды сигналов отражения при каждом i, j-м положении луча и формируют из этих амплитуд матрицу измерений y(i,j), , суммарного канала, которую далее обрабатывают, отличающийся тем, что дополнительно формируют матрицу измерений y'(i,j), разностного канала, затем обрабатывают полученные матрицы для каждого i, j-го положения луча, при этом элементы матриц y(i+k, j+l) и y'(i+k, j+l), , , взятые относительно i, j в окне размера M×N, суммируют с весами h(k,l) и h'(k,l), найденными заранее, и оценивают амплитуду x(i,j), соответствующую центральной m, n-й части ДНА при i, j-м положении луча

указанные операции повторяют для всех i, j в зоне обзора и тем самым получают матрицу оценок амплитуд , , представляющую восстановленное радиолокационное изображение воздушной обстановки или поверхности в заданных элементах дальности с повышенным в несколько раз разрешением по угловым координатам.

Способ осуществляется следующим образом.

Повышение разрешающей способности РЛС по азимуту и углу места в заданной угломерной области воздушного пространства или поверхности в данном элементе разрешения дальности и формирование матрицы радиолокационного изображения поверхности или воздушной обстановки в режиме реального луча с электронным сканированием достигается за счет быстрого электронного переключения (смещения) луча РЛС по азимуту и углу места построчно соответственно на величину n-й и m-й части ширины ДНА и обработки полученных при сканировании лучом зоны обзора амплитуд отраженных сигналов РЛС на выходе не только разностного, но и суммарного канала РЛС, которая заключается в следующем.

1. Амплитуды отраженных сигналов на выходе суммарного и разностного каналов РЛС y(i,j) и y'(i,j), полученные при каждом i, j-м положении луча, формируют в матрицы y(i,j) и у'(i,j), , .

2. Относительно каждого i, j-го элемента искомой матрицы изображения строится окно размера M×N и амплитуды суммарного у(i+k, j+l) и разностного y'(i+k, j+l) каналов РЛС, взятые в этом окне при , , суммируют с весовыми коэффициентами h(k,l) и h'(k,l), расчет которых дан ниже, в результате чего получают оценку амплитуды i, j-го элемента дискретизации поля отражения:

3. Полученная матрица , , представляет восстановленное в данном сечении дальности радиолокационное изображение в i, j-x синтезированных элементах разрешения по азимуту и углу места, размеры которых в несколько раз меньше ширины ДНА. По совокупности всех элементов разрешения дальности формируется трехмерное изображение области воздушного пространства или поверхности.

Расчет весовых коэффициентов сводится к следующему.

Сканирование лучом РЛС осуществляется построчно: фиксируется i-я строка и луч последовательно перемещается по строке (меняется j) на n-ю часть ширины ДНА по азимуту. Затем осуществляется переход к следующей (i+1)-й строке путем изменения (смещения) положения луча на m-ю часть ширины ДНА по углу места (меняется i), после чего сканирование по азимуту (по j) повторяется. Амплитуда y(i,j) сигнала на выходе суммарного канала в k-м фиксированном элементе разрешения дальности при i, j-м положении луча по азимуту и углу места после некоторых предварительных преобразований представляет сумму амплитуд x(i+k, j+l) сигналов поля отражения, взятых с коэффициентами ДНА (k,l) по всем k, l-м элементам дискретизации в пределах ДНА, с учетом помехи p(i,j):

Модель (1) аналогична модели пространственного смазывания РЛИ по строкам и столбцам. Коэффициенты (k,l) ДНА суммарного канала представляют функцию с разделенными переменными: (k,l)=₁(k)·₂(l) и модель измерения (1) допускает разделение

параметрах x(i,j) имеет вид

где h₁(k), h₂(l) – весовые коэффициенты, вычисляемые заранее по определенной методике; Мm, Nn. Так как число MN измерений, участвующих в оценивании x(i,j), меньше числа (M+m-1)(N+n-1) оцениваемых параметров, входящих в состав этих измерений, то точность оценки (3) недостаточна для различения нескольких близко расположенных точечных объектов (на расстоянии размера элемента дискретизации).

Для увеличения точности оценивания поля x(i,j) в элементах дискретизации i, j, приводящему к повышению разрешающей способности по угловым координатам, предлагается дополнительно с суммарным каналом использовать данные разностного канала. Модель амплитуды сигнала на выходе разностного канала аналогична (1):

но отличается тем, что коэффициенты (k,l) ДНА разностного канала не описываются функцией с разделенными переменными: (k,l)₁(k)/₂(l), и двухэтапная процедура обработки для разностного канала оказывается неприменимой.

Для получения оценки по данным суммарного и разностного каналов РЛС рассматриваются измерения y(i,j), y'(i,j) в M×N-окрестности i, j-го элемента, которые удобно пронумеровать в сквозном порядке (построчно) и представить в составе 2МN-вектора

где Мm, Nn. Параметры x(i,j), входящие в состав 2MN измерений, представляются вектором

где S=M+m-1, L=N+n-1. Помехи p(i,j) и p'(i,j) собираются в 2MN-векторе P(i,j)=(p₁, р₂, …, р_2MN)^T. Тогда модель измерений (1), (4) представляется в следующей матричной форме:

где А – матрица размерности 2MN×SL, сформированная в соответствии с (1), (4) из двумерных коэффициентов ДНА первого канала _ij, , и второго канала _ij, , :

Уравнение (5) в развернутом виде представляет систему 2MN уравнений с (M+m-1)(N+n-l) неизвестными Х. При определенных значениях М и N получается избыточность измерений по отношению к оцениваемым параметрам: 2MN>(M+m-1)(N+n-1), что позволяет находить оценки искомых параметров Х методом наименьших квадратов (МНК). В матричной форме минимизация функции по приводит к регуляризованным МНК-оценкам

где – параметр регуляризации, необходимый для обращения плохо обусловленной матрицы А^TА; Е – единичная матрица; Н=(А^TА)^-1А^T – матрица весовых коэффициентов; Т – символ транспонирования.

При обращении А^TА удобно использовать рекуррентную процедуру:

где a_k – k-я строка матрицы А коэффициентов ДНА.

В качестве оценки элемента поля x(i.j), расположенного в центре M×N-окна, принимается центральный элемент вектора с наименьшей дисперсией ошибки оценивания, который вычисляется по формуле

Оценка представляет амплитуду сигнала отражения в m, n-й части ДНА (элементе дискретизации), соответствующей центру ij-го положения луча РЛС (синтезированного элемента разрешения по азимуту и углу места). При вычислении используется центральная строка матрицы H, соответствующая минимуму дисперсии ошибки оценивания ковариационной матрицы . Алгоритм оценивания представляет линейную комбинацию измерений, взятых с заранее просчитанными весовыми коэффициентами и его удобно представить в виде

где h₁, h₂, …, h_2MN – соответствующая строка матрицы Н; y₁, y₂, …, y_2MN – измерения суммарного и разностного каналов, причем Мm, Nn и принимается , если . Возможно получение сразу нескольких оценок , , для одного вектора измерений Y путем использования соответствующих строк матрицы Н, однако для обеспечения одинаковой точности этих оценок следует увеличить число измерений 2MN: М>m, N>n.

Возвращаясь к первоначальной нумерации (по строкам и столбцам), алгоритм (9) принимает вид

Точность оценок (10) описывается корреляционной матрицей ошибок оценивания . Свойство матрицы К_X при заданных коэффициентах _ij и _ij полностью определяется параметрами m, n, М, N. В табл.1 представлены следующие расчетные величины: среднеквадратическое отклонение (СКО) ошибки оценивания =[х], взятое из корреляционной матрицы К_X, и оценка СКО найденная путем моделирования, при _P=1 в зависимости от размеров M×N окна измерений для двух и одного каналов. Моделировались 4 близко расположенных точечных объекта в пределах ДНА размера в m×n=3×3 элементов дискретизации. В табл.2 показано слева направо в окне m×n: искомое поле x(i,j), измерения первого канала y(i,j) и оценки , полученные с помощью (9) при m×n=3×3 в окне измерений M×N=5×5 для двухканальной обработки с округлением до целого. Для сравнения в табл.3 даны результаты, полученные для одноканальной обработки. Использовались следующие аппроксимации коэффициентов ДНА суммарного и разностного каналов: _ij=exp[-(i²+j²)], _ij=0,7ехр[-1.5(-1)²], . Видно, что точность двухканальной обработки существенно выше одноканальной.

Алгоритм (9) или (10) при наблюдении за воздушными объектами реализуется в тех элементах разрешения по дальности, в которых зафиксирован отраженный сигнал. При наблюдении за поверхностью восстанавливается трехмерное изображение по совокупности всех k-x срезов дальности в области обзора или обрабатываются по предложенной методике амплитуды сигналов, принятых в заданном диапазоне дальности (i_min, i_max), накрывающем наблюдаемый участок поверхности. Пространственные элементы дискретизации (i, j, k) представляют синтезированные элементы разрешения, угловые размеры которых в несколько раз меньше ширины ДНА.

Предлагаемый способ позволяет в несколько раз повысить разрешающую способность РЛС по азимуту и углу места в сечениях дальности в режиме “реального луча” с сохранением области обзора РЛС по азимуту и углу места и сформировать матрицу радиолокационного изображения воздушной обстановки или поверхности в виде совокупности амплитуд , , сигналов, отраженных от соответствующих i, j-x элементов угломерного пространства в k-x элементах разрешения дальности, которая позволяет наблюдать на экране индикатора группу воздушных объектов или поверхность (объекты на поверхности) в условиях отсутствия оптической видимости, что повышает безопасность полетов и эффективность решения поставленных перед летчиком задач.

Табл.1
Два канала							Один канал
M=N=5			M=N=3				M=N=5				M=N=3
=0,9			=1				=1,6				=1,7
Табл.2
X				Y
10	0	10		9		9		10		8			0		9
0	0	0		8		5		8		0			0		0
10	0	10		11		7		12		10			0		10
Табл.3
X				Y
10	0	10		10	5			8	7			0		5
0	0	0		5	5			8	0			0		4
10	0	10		3	3			0	6			5		4

Формула изобретения

Способ наблюдения за воздушными объектами и поверхностью на базе бортовой РЛС, основанный на работе в режиме реального луча с электронным сканированием, заключающийся в формировании матрицы радиолокационного изображения воздушной обстановки или поверхности в срезах дальности, при этом за счет быстрого электронного переключения луча РЛС смещают луч по азимуту и углу места построчно соответственно на величину n-й и m-й части ширины ДНА в зоне обзора, измеряют амплитуды сигналов отражения при каждом i-м, j-м положении луча и формируют из этих амплитуд матрицу измерений y'(i,j), , суммарного канала, которую далее обрабатывают, отличающийся тем, что дополнительно формируют матрицу измерений y'(i,j), , разностного канала, затем обрабатывают полученные матрицы для каждого i,j-го положения луча, при этом элементы матриц y(i+k,j+1) и y'(i+k,j+1), , взятые относительно i,j в окне размера M×N, суммируют с весами h(k,l) и h'(k,l), найденными заранее, и оценивают амплитуду x(i,j), соответствующую центральной m-й, n-й части ДНА при i-й, j-м положении луча

указанные операции повторяют для всех i,j в зоне обзора и тем самым получают матрицу оценок амплитуд , , , представляющую восстановленное радиолокационное изображение воздушной обстановки или поверхности в заданных элементах дальности с повышенным в несколько раз разрешением по угловым координатам.

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 29.06.2007

Извещение опубликовано: 27.01.2009 БИ: 03/2009