Патент на изобретение №2334250

(54) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ С ВЫСОТНЫМИ ОБЪЕКТАМИ ПО ДАННЫМ БОРТОВОЙ ИМПУЛЬСНО-ДОПЛЕРОВСКОЙ РЛС

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиолокации. Техническим результатом является получение трехмерного изображения поверхности и высотных объектов на поверхности при маловысотном полете с повышенным разрешением по угловым координатам в зоне обзора, обеспечивающим более четкое изображение. Способ заключается в создании режима построчного обзора контролируемого участка пространства с узкополосной доплеровской фильтрацией принятых сигналов, позволяющей рассечь ДНА на узкие пространственно-протяженные по углам доплеровские элементы разрешения (ДЭР), в сочетании с моноимпульсным методом измерения угловых координат элементов поверхности в составе ДЭР и формировании матриц трехмерного амплитудного изображения поверхности и объектов на поверхности.

Изобретение относится к радиолокации, а именно к радиолокационным системам наблюдения за поверхностью на базе бортовой импульсно-доплеровской РЛС, работающей в режиме “доплеровского обужения” диаграммы направленности антенны (ДНА).

Формирование радиолокационного изображения (РЛИ) поверхности с высотными объектами на поверхности с помощью бортовой РЛС необходимо для повышения безопасности маловысотных полетов вдоль местности со сложным рельефом поверхности, городских и промышленных застроек, линий электропередач, при посадке на аэродром, а также для распознавания объектов на РЛИ.

Известен способ получения трехмерного изображения поверхности по данным бортовой импульсно-доплеровской РЛС маловысотного полета [1] с электронным сканированием луча. Способ заключается в построчном сканировании лучом контролируемого участка поверхности по линии полета. При каждом положении луча с помощью узкополосной доплеровской фильтрации, осуществляемой в заданных элементах разрешения дальности, ДНА рассекается под определенным углом на 10-30 [2] более узких пространственно-протяженных по углам доплеровских элементов разрешения (ДЭР). Это дает возможность более точно (по сравнению с ДНА) определять угловые координаты элементарных участков поверхности и по трем известным координатам (дальность, азимут, угол места) формировать трехмерное изображение поверхности, что в пересчете в прямоугольную систему координат дает информацию о высоте поверхности и объектов на поверхности. Однако узкие протяженные по углам ДЭР в проекции на горизонтальную плоскость дают смазанное изображение, и для более точного определения угловых координат элементов поверхности в составе ДЭР требуется дополнительно повысить разрешающую способность по углам, рассекая ДЭР на еще более мелкие части, что в рамках указанного способа сделать не удается.

Известен способ измерения высоты объектов на поверхности при получении трехмерного РЛИ поверхности по данным бортовой импульсно-доплеровской РЛС [3]. Способ заключается в сканировании лучом контролируемого участка поверхности по углу места при фиксированном положении луча по азимуту и измерении угла места в каждом доплеровском элементе разрешения по азимуту на основе алгоритмической обработки амплитуд полученных сигналов. Способ может быть также применен при сканировании луча наклонно к горизонтальной поверхности (вдоль касательной к линиям ДЭР. При этом ДЭР будут рассекаться на более мелкие части и точность формирования трехмерных изображений повысится. Однако при сканировании луча для движущейся бортовой РЛС возникают динамические ошибки, т.е. амплитуды сигналов, полученные для последовательности смещенных по углам положений луча, могут не соответствовать одному и тому же доплеровскому элементу разрешения (особенно для систем с механическим управлением луча), и требуется соответствующий пересчет координат.

Известны моноимпульсные методы измерения угловых координат (азимута и угла места) в пределах ДНА при фиксированном положении луча для одного и двух точечных воздушных объектов, позволяющие в 5-10 раз повысить точность измерения угловых координат объектов по сравнению с шириной ДНА [4-6]. Однако при наблюдении за поверхностью такие методы не работают, так как поверхность в пределах ДНА представляет множество точечных объектов (элементарных участков поверхности). Таким образом, возникает необходимость измерения угловых координат только одного или двух элементов поверхности, воспринимаемых как точечные объекты, что может быть достигнуто в сочетании моноимпульсного метода [4-6] со способом определения координат ДЭР при произвольном положении ДНА [1].

Наиболее близким по технической сущности является способ получения трехмерного изображения поверхности по данным бортовой импульсно-доплеровской РЛС маловысотного полета [1]. Данный способ заключается в следующем.

1. В режиме маловысотного полета за счет быстрого электронного переключения луча РЛС смещают луч по азимуту и углу места построчно на ширину диаграммы направленности антенны в зоне обзора.

2. При каждом k-м положении луча антенны принятый во времени t отраженный комплексный сигнал селектируют в i-x элементах разрешения по дальности, т.е. выбирают из сигнала i-e составляющие , соответствующие последовательности элементов разрешения по дальности: , где m – число таких элементов в зоне обзора.

3. В каждом i-м элементе дальности сигнал селектируют по доплеровской частоте f_j в j-x узкополосных фильтрах, т.е. выбирают из сигнала j-е составляющие , соответствующие последовательности элементов разрешения по частоте: , где n – число таких фильтров.

4. Последовательность j-x элементов разрешения по частоте ставят в соответствие последовательности j-x элементов разрешения по доплеровскому углу отклонения луча отраженного сигнала от вектора скорости движения носителя РЛС, причем частоту f_j связывают с доплеровским углом _j следующей зависимостью [7]:

где – скорость движения объекта носителя РЛС; – длина волны.

Доплеровский i, j-й элемент разрешения геометрически образуется пересечением конической поверхности ДНА сферическими поверхностями уровня дальности и коническими поверхностями уровня доплеровского угла и представляет собой узкий пространственно-протяженный по углам элемент, рассекающий ДНА по линии ДЭР. Уравнение линии ДЭР, соответствующей доплеровскому углу _j, имеет вид [1, 8]:

где , – угловые координаты точки, принадлежащей ДЭР, в системе координат носителя РЛС.

5. Результатом пересечения i, j, k-го ДЭР (при k-м положении луча) с поверхностью является элементарный i, j, k-й участок поверхности (подобный точечному объекту), вызывающий отраженный сигнал . Для сигнала , выделенного в i-м элементе дальности и j-м фильтре доплеровских частот, измеряют амплитуду A(i, j, k).

6. Если амплитуда A(i, j, k) превышает порог обнаружения (соответствует отражению от элемента поверхности или объекта в данном ДЭР), то для всех i, j₁, k₁-x элементов дискретизации сферической системы координат R, , или для всех i₁, j₁, k₁-x элементов дискретизации прямоугольной системы x, y, z, расположенных в i-м элементе дальности в области i, j, k-го ДЭР, запоминают значение амплитуды A(i, j, k). При этом в сферической системе амплитуду запоминают для первых двух координат R, (дальность, азимут) в матрице A₁(i, j₁). В прямоугольной системе амплитуду запоминают для первых двух координат (х, у) в матрице A₁(i₁, j₁). Максимальное значение третьей координаты (угла места или высоты z) запоминают в матрице (i, j₁) или Z(i₁, j₁).

7. Проверку принадлежности i₁,j₁,k₁-x элементов дискретизации i, j, k-му ДЭР осуществляют сравнением их координат R, , с границами ДЭР, которые рассчитывают на основе линейной аппроксимации уравнения (2) и представляют в виде системы неравенств

где R_i, _jk, _jk – известные сферические координаты центра i, j, k-го ДЭР; _k, _k, b_k – известные для каждого k-го положения луча параметры аппроксимации ДЭР.

8. Указанные операции пп.2-7 повторяют для всех k-x положений луча, тем самым формируют матрицы А, или А, Z, которые представляют трехмерное изображение поверхности в зоне обзора РЛС.

Однако такой способ обладает следующими недостатками.

1. Использование системы неравенств (3) для описания ДЭР вносит ошибки аппроксимации.

2. Разрешающая способность данного способа по углам определяется размерами узких пространственно-протяженных по углам ДЭР, пересекающих ДНА под определенным углом. Если ДЭР расположены вертикально к плоскости поверхности отражения, то получается плоское изображение поверхности в координатах дальность – азимут, удобное для восприятия, однако точность измерения угла места и высоты при этом будет определяться шириной ДНА, что неудовлетворительно.

3. Если ДЭР расположены под острым углом к плоскости поверхности отражения, то точность измерения угла места и высоты тем выше, чем меньше угол, однако наклонно расположенные ДЭР в проекции на горизонтальную плоскость занимают несколько элементов дискретизации и дают смазанное изображение A(i₁, j₁), (i₁, j₁) или A(i₁, j₁), Z(i₁, j₁), причем смазывание тем больше, чем меньше угол наклона ДЭР, что также неудовлетворительно.

4. Смазывание изображения может быть частично устранено за счет наклонного сканирования луча РЛС (ДНА) вдоль касательной к линии ДЭР со смещением ДНА по углам на величину элемента дискретизации с последующей алгоритмической обработкой принятых сигналов [3], однако при этом возникают динамические ошибки, связанные с изменением координат движущегося носителя РЛС, а также ошибки, связанные с флуктуацией фазы отраженного сигнала при изменении положения антенны.

Для того чтобы устранить смазывание и получить четкое изображение в пределах каждого фиксированного луча, предлагается одновременно осуществлять доплеровское обужение ДНА и измерение угловых координат элемента поверхности в составе ДЭР моноимпульсным методом [4-6] с точностью, соизмеримой с доплеровским разрешением по углу.

Технический результат направлен на получение трехмерного изображения поверхности и высотных объектов на поверхности при маловысотном полете с повышенным разрешением по угловым координатам в зоне обзора, обеспечивающим более четкое изображение по сравнению с прототипом.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что способ формирования трехмерного изображения поверхности с высотными объектами по данным бортовой РЛС с электронным сканированием луча и доплеровской селекцией по частоте заключается в создании режима построчного обзора контролируемого участка пространства с узкополосной доплеровской фильтрацией принятых сигналов, позволяющей рассечь ДНА на узкие пространственно-протяженные по углам ДЭР, в сочетании с моноимпульсным методом измерения угловых координат элементов поверхности в составе ДЭР и формировании матриц трехмерного амплитудного изображения поверхности и объектов на поверхности, при этом за счет быстрого электронного переключения луча РЛС смещают луч по азимуту и углу места построчно на ширину диаграммы направленности антенны в зоне обзора и при каждом k-м положении луча по азимуту и углу места для принятого комплексного сигнала , выделенного в i-м элементе дальности и j-м фильтре доплеровских частот и соответствующего i, j, k-му ДЭР (при k-м положении луча), измеряют амплитуду A(i, j, k), отличается тем, что для каждой измеренной амплитуды A(i, j, k), превышающей порог обнаружения (соответствующей отражению от элемента поверхности), на основе сигнала моноимпульсным методом измеряют угловую координату (азимут или угол места в самолетной системе координат) каждого точечного отражателя, находящегося в i, j, k-м ДЭР, а вторую координату для известного доплеровского угла _j вычисляют по формуле

=arccos(cos_j/cos) или =arccos(cos_j/cos),

где отсчитывают от направления движения носителя, – от горизонтальной плоскости движения носителя, причем первую формулу выбирают в том случае, если взятый по модулю угловой коэффициент касательной, проведенной к линии ДЭР, вычисляемый заранее для известных угловых координат центра k-й ДНА, меньше 1, далее значение азимута округляют до ближайшего значения j₁-го элемента дискретизации азимута, амплитуду A(i, j, k) запоминают в матрице A₁(i, j₁) в целочисленных координатах дальности и азимута, а максимальное значение угла места – в матрице (i, j₁), затем повторяют эти операции для всех k-x положений луча и тем самым формируют трехмерное изображение поверхности в зоне обзора РЛС в виде двумерных матриц A₁ и , причем для удобства индикации матрицы A₁ и пересчитывают в матрицу амплитуд A₁(i₁, j₁) и матрицу третьей координаты (высоты) Z(i₁, j₁) в элементах дискретизации прямоугольной сетки координат с запоминанием только максимальной высоты.

Способ осуществляется следующим образом.

1. За счет быстрого электронного переключения луча РЛС луч смещается по азимуту и углу места построчно на ширину диаграммы направленности антенны в зоне обзора.

2. При каждом k-м положении луча антенны принятый во времени t отраженный комплексный сигнал селектируется в i-x элементах разрешения по дальности: , .

3. В каждом i-м элементе дальности сигнал селектируется по доплеровской частоте f_j в j-x узкополосных фильтрах: , .

4. Последовательность j-x элементов разрешения по частоте ставится в соответствие последовательности j-x элементов разрешения по доплеровскому углу _j:

где – скорость движения объекта носителя РЛС; – длина волны.

5. Измеряется амплитуда A(i, j, k) сигнала , выделенного в i-м элементе дальности, j-м фильтре доплеровских частот при k-м положении луча.

6. Если A(i, j, k) превышает порог обнаружения (соответствует отражению от элемента поверхности), то на основе сигнала моноимпульсным методом измеряется угловая координата (азимут или угол места в самолетной системе координат) каждого точечного отражателя, находящегося в i, j, k-м ДЭР, а вторая координата для известного косинуса доплеровского угла _j вычисляется на основе уравнения (2) линии ДЭР по формуле

где отсчитывается от направления движения носителя, – от горизонтальной плоскости движения носителя в самолетной системе координат, причем первая формула в (5) выбирается в том случае, если взятый по модулю угловой коэффициент касательной b(k), проведенной к линии ДЭР, меньше 1: |b(k)|<1. В противном случае выбирается вторая формула.

7. Угловой коэффициент b(k) вычисляется заранее по формуле

для известных угловых координат _k, _k центра ДНА для каждого k-го положения луча.

8. Найденное значение азимута округляется до ближайшего значения j₁-го элемента дискретизации азимута, амплитуда A(i, j, k) запоминается в матрице A₁(i, j₁) в целочисленных координатах дальности и азимута, а максимальное значение угла места – в матрице (i, j₁). Незаполненным элементам дискретизации присваивается нулевое значение амплитуды. Если изображение формируется в координатах дальность – доплеровская частота, то элементами дискретизации являются элементы разрешения: i=i₁, j=j₁.

9. Операции пп.2-8 повторяются для всех k-x положений луча. В результате формируется трехмерное изображение поверхности в зоне обзора РЛС в виде двумерных матриц A₁ и .

10. Для удобства индикации матрицы A₁ и пересчитываются в матрицу амплитуд A₁(i₁, j₁) и матрицу третьей координаты (высоты) Z(i₁, j₁) в элементах дискретизации прямоугольной сетки координат с запоминанием только максимальной высоты.

Возможны следующие частные случаи применения данного способа.

1. Формирование трехмерного изображения поверхности и объектов на поверхности без сканирования луча для одной фиксированной ДНА (k=1). В этом случае угол наклона линий ДЭР к горизонтальной плоскости поверхности выбирается порядка 20°-30° (с угловым коэффициентом 0,3-0,5), и моноимпульсным методом измеряется только азимут. Угол места вычисляется по формуле (5), и абсолютная погрешность вычисления оказывается в 2-3 раза меньше погрешности измерения азимута.

2. Формирование трехмерного изображения одной поверхности в условиях, указанных в п.1. В этом случае моноимпульсным методом измеряется угол места только одного точечного объекта – элемента поверхности в составе ДЭР, и точность измерения возрастает.

3. При полете на малой высоте (при малых значениях угла места ) приближенно можно считать cos1 и в соответствии с формулой (2) _j. В этом случае матрицы изображения формируются в координатах дальность (i) – доплеровская частота (j).

4. При полете на большой высоте матрицы или Z не используются, так как высотой рельефа поверхности и объектов можно пренебречь. В этом случае на индикацию выдается одна матрица двумерного (плоского) амплитудного изображения в координатах дальность – доплеровская частота, получаемая в существующих системах доплеровского обужения.

Вывод уравнения линии ДЭР и анализ точности измерения угловых координат в предлагаемом способе сводятся к следующему.

Первый способ вывода уравнения (2) линии ДЭР с помощью векторного представления и преобразования координат вектора при его повороте изложен в [1, 8]. Второй способ вывода уравнения (2) заключается в следующем.

Коническая поверхность постоянного уровня доплеровского угла (частоты) пересекает сферическую поверхность ДНА по линии окружности, какой и является линия ДЭР. Центр данной окружности лежит на оси прямого кругового конуса доплеровского угла. По этой же оси направлен вектор скорости движения объекта-носителя РЛС.

В самолетной системе координат совместим положительную полуось ОХ с вектором скорости . Тогда линия ДЭР (линия окружности) без искажения проецируется по плоскость YOZ. Уравнение окружности с центром в точке О и радиусом r в этой плоскости запишется:

Установим связь прямоугольных y,z и сферических R, , координат произвольной точки, лежащей на окружности. Учтем при этом, что будем отсчитывать от горизонтальной плоскости XOY. Радиус окружности r выразим через наклонную дальность R и доплеровский угол :

Подставляя (8) в (7), получим уравнение (2):

sin²cos²+sin²=sin²(1-cos²)cos²+sin²=sin²

cos²cos²=cos²coscos=cos,

где , и – острые углы.

Из(2)следует:

Угловой коэффициент b(k) касательной, проведенной к линии ДЭР в точке (, ), равный тангенсу угла наклона, вычисляется взятием производной от (9) по :

причем коэффициент b(k) можно рассчитать только для угловых координат центра _k, _k ДНА по формуле (6) при каждом k-м положении луча, так как в пределах узкой ДНА (например, 1°×1,5°) линии ДЭР наклонены примерно под одним и тем же углом, и b(k) слабо зависит от _j и .

Предельная абсолютная погрешность измерения связана с абсолютной погрешностью измерения линейной зависимостью

Следовательно, при |b|<1 появляется эффект повышения точности определения угла места по формуле (9) по сравнению с точностью измерения азимута моноимпульсным методом. При |b|=0,3-0,5, что соответствует наклону линий ДЭР в ДНА примерно в 20°-30° при выборе соответствующих значений и , точность измерения угла места будет в 2-3 раза выше точности измерения азимута.

Высота Н поверхности или объекта на поверхности вычисляется:

где h – высота полета носителя; R, – сферические координаты точки в данном азимутальном направлении. Погрешность измерения высоты составляет

Выбор значений b определяется характером поверхности. Для ровной горизонтальной поверхности (например, взлетно-посадочного поля) b может быть меньше 0,3, а эффект повышения точности при этом – более чем в 3 раза. Например, если для =60° измеренное моноимпульсным методом значение азимута составляет =-20, то значение угла места, вычисленное по формуле (2), будет равно =57,85°, а высота элемента поверхности Н=h-0,847R. При этом b=0,23 и достигается эффект повышения точности измерения угла места (по сравнению с моноимпульсным методом) и точности измерения относительной высоты h-Н (в сравнении с b=1) примерно в 4 раза.

Эффект повышения разрешающей способности по углам предложенным способом в сравнении со способом-прототипом [1] можно оценить следующим образом. Погрешность измерения угла места способом [1] при угловом коэффициенте b порядка 0,3-0,5 в 2-3 раза меньше ширины ДНА. Погрешность измерения угловой координаты моноимпульсным методом в 5-10 раз меньше ширины ДНА. Следовательно, предложенный способ позволяет не менее чем в 2-3 раза повысить разрешающую способность по углу . Аналогично можно рассуждать для угла .

Предложенный способ формирования трехмерных изображений поверхности и объектов на поверхности соединяет в себе методы доплеровского обужения, определения координат доплеровских элементов и моноимпульсный метод измерения угловых координат, чем достигается эффект повышения разрешающей способности по углам по сравнению с известным способом-прототипом. Сформированное трехмерное изображение дает возможность наблюдать изображение поверхности и высотных объектов на поверхности с дополнительной информацией о высоте, что повышает безопасность маловысотных полетов и вероятность распознавания объектов на поверхности в условиях отсутствия оптической видимости.

Литература

1. Патент RU 2299448 С2. Способ получения трехмерного изображения поверхности по данным бортовой РЛС маловысотного полета / В.К.Клочко. МПК: G01S 13/02, 13/72. Приоритет 26.07.2005. Опубл. 20.05. 2007. Бюл. №14.

2. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов / Под ред. Г.С.Кондратенкова. М.: Радиотехника, 2005. 368 с.

3. Патент RU 2300780 С1. Способ измерения высоты объектов на поверхности при получении трехмерного радиолокационного изображения поверхности с объектами на базе бортовой РЛС маловысотного полета / В.К.Клочко. МПК: G01S 13/72, 13/90. Приоритет 13.09.2005. Опубл. 10.06. 2007. Бюл. № 16.

5. Вексин С.И. Обработка радиолокационных сигналов в доплеровских головках самонаведения. М.: МАИ, 2005.

7. Колчинский В.Е., Мандуровский И.А., Константиновский М.И. Автономные доплеровские устройства и системы навигации летательных аппаратов / Под ред. В.Е.Колчинского. М.: Сов. радио, 1975. 432 с.

Формула изобретения

Способ формирования трехмерного изображения поверхности с высотными объектами по данным бортовой РЛС с электронным сканированием луча и доплеровской селекцией по частоте, заключающийся в создании режима построчного обзора контролируемого участка пространства с узкополосной доплеровской фильтрацией принятых сигналов, позволяющей рассечь ДНА на узкие пространственно-протяженные по углам доплеровские элементы разрешения (ДЭР), в сочетании с моноимпульсным методом измерения угловых координат элементов поверхности в составе ДЭР и формировании матриц трехмерного амплитудного изображения поверхности и объектов на поверхности, при этом за счет быстрого электронного переключения луча РЛС смещают луч по азимуту и углу места построчно на ширину диаграммы направленности антенны в зоне обзора и при каждом k-м положении луча по азимуту и углу места для принятого комплексного сигнала выделенного в i-м элементе дальности и j-м фильтре доплеровских частот и соответствующего i, j, k-му ДЭР (при k-м положении луча), измеряют амплитуду A(i, j, k), отличающийся тем, что для каждой измеренной амплитуды A(i, j, k), превышающей порог обнаружения (соответствующей отражению от элемента поверхности), на основе сигнала моноимпульсным методом измеряют угловую координату (азимут или угол места в самолетной системе координат) каждого точечного отражателя, находящегося в i, j, k-м ДЭР, а вторую координату для известного доплеровского угла _j вычисляют по формуле

=arccos(cos_j/cos) или =arccos(cos_j/cos),

где отсчитывают от направления движения носителя, – от горизонтальной плоскости движения носителя, причем первую формулу выбирают в том случае, если взятый по модулю угловой коэффициент касательной, проведенной к линии ДЭР, вычисляемый заранее для известных угловых координат центра k-й ДНА, меньше 1, далее значение азимута округляют до ближайшего значения j 1-го элемента дискретизации азимута, амплитуду A(i, j, k) запоминают в матрице A₁(i, j₁) в целочисленных координатах дальности и азимута, а максимальное значение угла места – в матрице (i, j₁), затем повторяют эти операции для всех k-x положений луча и тем самым формируют трехмерное изображение поверхности в зоне обзора РЛС в виде двумерных матриц A₁ и , причем для удобства индикации матрицы A₁ и пересчитывают в матрицу амплитуд A₁(i₁, j₁) и матрицу третьей координаты (высоты) Z(i₁, j₁) в элементах дискретизации прямоугольной сетки координат с запоминанием только максимальной высоты.