способ измерения угловых координат объекта и радиолокационная станция для его реализации

Формула изобретения

1. Способ измерения угловых координат объекта в процессе обзора пространства радиолокационной станцией, включающий излучение зондирующих сигналов, прием и обнаружение отраженных от объекта сигналов, измерение и запоминание уровней принятых сигналов и угловых координат луча, соответствующих принятым сигналам, обнаружение угловых пакетов принятых сигналов, вычисление угловых координат объекта, отличающийся тем, что в угловом пакете принятых сигналов определяют мощность сигнала, соответствующего расположению объекта на направлении максимума луча, после чего осуществляют вычисление каждой угловой координаты объекта в соответствии с формулой:

где - угловая координата объекта;

L₁₁ - величина, определяемая при k=1, m=1 из формулы

где n - количество положений луча в угловом пакете принятых сигналов по измеряемой угловой координате объекта ;

_i - угловая координата луча, соответствующего i-му сигналу пакета принятых сигналов, определяемая из формулы _i=_л+(i-1);

_л - угловая координата луча, соответствующего первому (i=1) сигналу пакета принятых сигналов;

- шаг перемещения луча по угловой координате;

- мощность i-го сигнала углового пакета принятых сигналов, нормированная к среднеквадратическому значению шумов приемного тракта РЛС;

К²_м - отношение сигнал/шум для сигнала, соответствующего расположению объекта на направлении максимума луча;

D=q²+p³;

sign(q)-знак q;

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в угловом пакете принятых сигналов в качестве сигнала, соответствующего расположению объекта на направлении максимума луча, выбирают сигнал наибольшей мощности.

3. Радиолокационная станция, содержащая передатчик, антенный переключатель, антенну, приемник, пороговое устройство, синхронизатор, блок оценки угловых координат, при этом выход передатчика соединен со входом антенного переключателя, вход/выход которого соединен с антенной, выход антенного переключателя соединен со входом приемника, выход которого соединен со входом порогового устройства, выход порогового устройства и координатный выход антенны соединены соответственно с первым и вторым входами блока оценки угловых координат, первый и второй выходы синхронизатора соединены с синхровходами передатчика и блока оценки угловых координат соответственно, при этом блок оценки угловых координат включает запоминающее устройство обнаруженных сигналов, блок обнаружения угловых пакетов и вычислитель с М входами, причем первый и второй входы запоминающего устройства обнаруженных сигналов являются первым и вторым входами блока оценки угловых координат соответственно, М выходов запоминающего устройства обнаруженных сигналов соединены с М входами блока обнаружения угловых пакетов, выход вычислителя является выходом блока оценки угловых координат, отличающаяся тем, что введены М+1-й вход вычислителя и блок определения мощности сигнала, соответствующего расположению объекта на направлении максимума луча, М входов которого соединены с М выходами блока обнаружения угловых пакетов, а М+1 выходов соединены с М+1 входами вычислителя.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемые технические решения относятся к области радиолокации и могут быть использованы для измерения угловых координат объектов.

Известен способ измерения угловых координат объекта в процессе обзора пространства радиолокационной станцией (РЛС), включающий излучение зондирующих сигналов, прием отраженных от объекта сигналов, измерение их параметров, обнаружение угловых пакетов принятых сигналов, вычисление угловых координат объекта (Самсоненко С.В. Цифровые методы оптимальной обработки радиолокационных сигналов. - М.: Военное издательство Министерства обороны СССР, 1968, стр.109).

Известна радиолокационная станция, реализующая указанный способ измерения координат объекта (Самсоненко С.В. Цифровые методы оптимальной обработки радиолокационных сигналов. - М.: Военное издательство Министерства обороны СССР, 1968, стр.110, рис.4.23).

Известная радиолокационная станция содержит последовательно соединенные антенну, радиоприемное устройство, устройство обнаружения сигнала, включающее пороговое устройство, вычислитель, а также датчик текущей угловой координаты, вход которого соединен с координатным выходом антенны, а выход - со входом вычислителя.

Поясним понятие “угловой пакет принятых сигналов”.

В процессе обзора пространства радиолокационной станцией сигналы, отраженные от объекта и принятые приемником, сравниваются с порогом обнаружения. В результате, для каждой дискреты дальности, в каждом положении луча антенны в плоскости угол места () - азимут () на выходе порогового устройства присутствует принятый сигнал, если он превышает уровень порога, сигнал на выходе порогового устройства отсутствует (пропуск обнаружения сигнала), если принятый сигнал ниже уровня порога. Сигналы образуют угловой пакет, если в какой либо области зоны обзора в плоскости нет положений луча с пропусками сигналов (Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации. М.: Советское радио, 1974, стр.30, рис.1.7). На фиг.1 приведены примеры угловых пакетов принятых сигналов, отличающиеся размерами и конфигурацией. Положения луча при обзоре пространства, в которых произошло обнаружение, показаны серым цветом, в положениях луча, обозначенных белым цветом, обнаружения нет. Показаны три пакета сигналов: одиночный пакет (пакет состоит из одного положения луча), пакет, состоящий из двух положений луча (величина пакета по углу места равна единице, по азимуту - двум), и пакет, состоящий из пяти положений луча (величина пакета по углу места равна двум, по азимуту - четырем).

В известном способе измерения угловых координат объекта и устройстве, реализующем данный способ, за угловую координату объекта берут среднее арифметическое двух отсчетов - начала (_н) и конца (_к) углового пакета сигналов по измеряемой координате:

Недостатком известных способа и устройства является низкая точность измерения угловых координат. Это связано с тем, что в них не учитывается неравномерность уровней сигналов в угловом пакете принятых сигналов.

Наиболее близким способом измерения угловых координат объекта в процессе осмотра пространства радиолокационной станцией является способ, включающий излучение зондирующих сигналов, прием отраженных от объекта сигналов, измерение и запоминание уровней принятых сигналов и угловых координат луча, соответствующих принятым сигналам, обнаружение угловых пакетов принятых сигналов, вычисление угловых координат объекта. При этом угловая координата объекта оценивается, исходя из расчета максимума функции правдоподобия, в соответствии с известной формулой (Самсоненко С.В. Цифровые методы оптимальной обработки радиолокационных сигналов. - М.: Военное издательство Министерства обороны СССР, 1968, стр.254-258):

где n - количество положений луча в угловом пакете принятых сигналов по измеряемой угловой координате объекта ;

К²_i - отношение сигнал/шум для i-го (i/=1,...,n) сигнала углового пакета принятых сигналов;

Q_i=Q(-_i) - нормированная к своему максимуму диаграмма направленности антенны (ДНА) при положении луча, соответствующем i-му сигналу углового пакета принятых сигналов;

К^’_i - производная от Q_i по угловой координате ;

_i - угловая координата луча, соответствующего i-му сигналу углового пакета принятых сигналов, _i=_л+(i-1);

_л - угловая координата луча, соответствующего первому (i=1) сигналу углового пакета принятых сигналов;

- шаг перемещения луча по измеряемой угловой координате;

²_i - мощность i-го сигнала пакета принятых сигналов, нормированная к среднеквадратическому значению шумов приемного тракта.

При определении угловой координаты объекта равенство (2) проверяется для различных возможных положений объекта по измеряемой угловой координате, т.е. многократно. Значение угловой координаты в момент выполнения условия (2) принимается за угловую координату объекта.

Наиболее близкой к заявляемой является РЛС (фиг.2), содержащая передатчик 1, антенный переключатель 2, антенну 3, приемник 4, пороговое устройство 5, синхронизатор 6, блок оценки угловых координат 7, при этом выход передатчика 1 соединен со входом антенного переключателя 2, вход/выход которого соединен с антенной 3, выход антенного переключателя 2 соединен со входом приемника 4, выход которого соединен со входом порогового устройства 5, выход порогового устройства 5 и координатный выход антенны 3 соединены соответственно с первым и вторым входами блока оценки угловых координат 7, первый и второй выходы синхронизатора 6 соединены с синхровходами передатчика 1 и блока оценки угловых координат 7 соответственно, при этом блок оценки угловых координат 7 включает запоминающее устройство обнаруженных сигналов 8, блок обнаружения угловых пакетов 9 и вычислитель 10 с М входами, причем первый и второй входы запоминающего устройства обнаруженных сигналов 8 являются первым и вторым входами блока оценки угловых координат 7 соответственно, М выходов запоминающего устройства обнаруженных сигналов 8 соединены с М входами блока обнаружения угловых пакетов 9, М выходов которого соединены с М входами вычислителя 10, выход вычислителя 10 является выходом блока оценки угловых координат 7 (Теоретические основы радиолокации. Под ред. Я.Д. Ширмана. М.: Сов. радио, 1970, стр.221).

Работа наиболее близкой к заявляемой РЛС при измерении угловых координат объекта происходит следующим образом. В передатчике 1 по командам синхронизатора 5 (импульсам синхронизации) формируются зондирующие сигналы, которые в процессе обзора пространства с помощью антенны 3 излучаются в пространство. Отраженные от объекта сигналы принимаются антенной 3, поступают в приемник 4. С выхода приемника 4 сигналы поступают на вход порогового устройства 5, где сравниваются с порогом, который задается исходя из допустимой вероятности ложных тревог. Сигналы, уровень которых превышает пороговый, проходят на выход порогового устройства 5. Сигналы с выхода порогового устройства 5 и сигналы, пропорциональные угловым координатам луча антенны 3, поступают в блок оценки угловых координат 7. Значения мощности сигналов с соответствующими угловыми координатами луча по мере движения луча антенны при обзоре пространства записываются в запоминающее устройство обнаруженных сигналов 8 и хранятся там. По командам с синхронизатора 6 из запоминающего устройства обнаруженных сигналов 8 извлекаются записанные в них данные и подаются в блок обнаружения угловых пакетов 9, где происходит обнаружение углового пакета принятых сигналов (фиг.4). Уровни принятых сигналов и соответствующие принятым сигналам угловые координаты луча поступают на первые М входов вычислителя 12, на вторые М входов вычислителя 12 поступают заранее записанные весовые коэффициенты из запоминающего устройства весовых коэффициентов 13. В вычислителе 12 производятся перемножения значений мощности сигналов и соответствующих весовых коэффициентов и суммирование полученных произведений. Сигнал, пропорциональный полученной сумме, подается в устройство сравнения с порогом 14, где сравнивается с заранее установленным порогом. Уровень порога задается исходя из допустимой вероятности ложного обнаружения углового пакета. При превышении порога на выходе устройства сравнения с порогом 14 выдается импульс, означающий, что обнаружен угловой пакет сигналов. Данный импульс разрешает прохождение принятых сигналов и координат луча, соответствующих принятым сигналам, через ключ 15 на выход блока обнаружения угловых пакетов 9 и далее - на М входов вычислителя 10. В вычислителе 10 в соответствии с формулой (2) определяются угловые координаты объекта. При этом производятся многократные вычисления по формуле (2).

Недостатком наиболее близких способа и устройства является низкая точность определения угловых координат объекта при ограниченном времени оценки угловых координат. Этот недостаток делает затруднительным их использование, в частности, в мобильных обзорных РЛС, в которых время, выделяемое на оценку угловых координат объекта, весьма невелико.

Заявляемое изобретение направлено на устранение указанных недостатков.

Решаемой задачей (техническим результатом), таким образом, является повышение точности измерения угловых координат объекта при ограниченном времени оценки угловых координат.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе измерения угловых координат объекта в процессе осмотра пространства радиолокационной станцией, включающем излучение зондирующих сигналов, прием и обнаружение отраженных от объекта сигналов, измерение и запоминание уровней принятых сигналов и угловых координат луча, соответствующих принятым сигналам, обнаружение угловых пакетов принятых сигналов, вычисление угловых координат объекта, согласно изобретению в угловом пакете принятых сигналов определяют мощность сигнала, соответствующего расположению объекта на направлении максимума луча, после чего осуществляют вычисление каждой угловой координаты объекта в соответствии с формулой:

где - угловая координата объекта;

L₁₁ - величина, определяемая при k=1, m=1 из формулы

n - количество положений луча в угловом пакете принятых сигналов по измеряемой угловой координате объекта ,

_i - угловая координата луча, соответствующего i-му сигналу пакета принятых сигналов, определяемая из формулы _i=_л+(i-1);

_л - угловая координата луча, соответствующего первому (i=1) сигналу пакета принятых сигналов;

- шаг перемещения луча по измеряемой угловой координате;

²_i - мощность i-го сигнала пакета, нормированная к среднеквадратическому значению шумов приемного тракта;

К²_м - отношение сигнал/шум для сигнала, соответствующего расположению объекта на направлении максимума луча;

D=q²+p³;

sign(q) - знак q;

Технический результат достигается также тем, что в угловом пакете принятых сигналов в качестве сигнала, соответствующего расположению объекта на направлении максимума луча, выбирают сигнал наибольшей мощности.

Технический результат достигается также тем, что в радиолокационную станцию, содержащую передатчик, антенный переключатель, антенну, приемник, пороговое устройство, синхронизатор, блок оценки угловых координат, при этом выход передатчика соединен со входом антенного переключателя, вход/выход которого соединен с антенной, выход антенного переключателя соединен со входом приемника, выход которого соединен со входом порогового устройства, выход порогового устройства и координатный выход антенны соединены соответственно с первым и вторым входами блока оценки угловых координат, первый и второй выходы синхронизатора соединены с синхровходами передатчика и блока оценки угловых координат соответственно, при этом блок оценки угловых координат включает запоминающее устройство обнаруженных сигналов, блок обнаружения угловых пакетов и вычислитель с М входами, причем первый и второй входы запоминающего устройства обнаруженных сигналов являются первым и вторым входами блока оценки угловых координат соответственно, М выходов запоминающего устройства обнаруженных сигналов соединены с М входами блока обнаружения угловых пакетов, выход вычислителя является выходом блока оценки угловых координат, согласно изобретению введены М+1-й вход вычислителя и блок определения мощности сигнала, соответствующего расположению объекта на направлении максимума луча, М входов которого соединены с М выходами запоминающего устройства обнаруженных сигналов, а М+1 выходов соединены с М+1 входами вычислителя.

Введение операции определения в угловом пакете сигналов мощности сигнала, соответствующего расположению объекта на направлении максимума луча К²_м, позволяет проводить оценку угловых координат объекта однократным вычислением по формуле (3). Это значительно сокращает время определения координат обнаруженного объекта и тем самым увеличивает точность определения угловых координат объектов в условиях ограниченного времени, выделяемого для этой цели в современных мобильных РЛС.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами:

Фиг.1 - примеры угловых пакетов принятых сигналов.

Фиг.2 - блок-схема известной РЛС.

Фиг.3 - блок-схема заявляемой РЛС.

Фиг.4 - блок обнаружения угловых пакетов сигналов 9.

Заявляемый способ измерения угловых координат объекта реализуется с помощью радиолокационной станции, которая содержит (фиг.3) передатчик 1, антенный переключатель 2, антенну 3, приемник 4, пороговое устройство 5, синхронизатор 6, блок оценки угловых координат 7, при этом выход передатчика 1 соединен со входом антенного переключателя 2, вход/выход которого соединен с антенной 3, выход антенного переключателя 2 соединен со входом порогового устройства 5, выход порогового устройства 5 и координатный выход антенны 3 соединены соответственно с первым и вторым входами блока оценки угловых координат 7, каждый из двух выходов синхронизатора 6 соединен с синхровходами передатчика 1 и блока оценки угловых координат 7, при этом блок оценки угловых координат 7 включает запоминающее устройство обнаруженных сигналов 8, блок обнаружения угловых пакетов 9 и вычислитель 10 с М входами, причем первый и второй входы запоминающего устройства обнаруженных сигналов 8 являются первым и вторым входами блока оценки угловых координат 7 соответственно, М выходов запоминающего устройства обнаруженных сигналов 8 соединены с М входами блока обнаружения угловых пакетов 9, выход вычислителя 10 является выходом блока оценки угловых координат 7, М входов блока определения мощности сигнала, соответствующего расположению объекта на направлении максимума луча 11 соединены с М выходами блока обнаружения угловых пакетов 9, а М+1 выходов соединены с М+1 входами вычислителя 10.

Количество выходов запоминающего устройства обнаруженных сигналов 8, входов и выходов блока обнаружения угловых пакетов 9, входов и выходов блока определения мощности сигнала, соответствующего расположению объекта на направлении максимума луча 11, входов вычислителя 10, первых и вторых входов вычислителя 12, выходов запоминающего устройства весовых коэффициентов 13, входов и выходов ключа 15 (значение М) определяется наибольшей возможной величиной углового пакета принятых сигналов по обеим угловым координатам. Величина М для конкретных параметров РЛС (наименьшего шага перемещения луча при обзоре пространства, мощности зондирующего сигнала, типа обнаруживаемых объектов) может быть определена заранее. Так, например, в РЛС средней дальности для шага перемещения луча антенны порядка 0,5 ширины луча антенны при обнаружении крупных летательных аппаратов формируется угловой пакет сигналов по одной угловой координате не более чем из 5 положений луча. Таким образом, в данном случае наибольшая величина углового пакета равна 5, т.е. М=5.

Радиолокационная станция может быть выполнена с использованием следующих функциональных элементов.

Передатчик 1 - импульсного типа (Справочник по основам радиолокационной техники. - М., 1967, с.278).

Антенный переключатель 2 - выполнен на циркуляторе (Справочник по основам радиолокационной техники. - М., 1967, с.146-147).

Антенна 3 - фазированная антенная решетка с электронным сканированием по одной или обеим угловым координатам и с круговым механическим вращением (Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. Т.2. - М.: Сов. радио, 1977, с.132-138).

Приемник 4 - супергетеродинного типа (Справочник по основам радиолокационной техники. - М., 1967, с.343-344).

Цифровые элементы: запоминающее устройство обнаруженных сигналов 8, вычислитель 10, блок определения мощности сигнала, соответствующего расположению объекта на направлении максимума луча 11, вычислитель 12, запоминающее устройство весовых коэффициентов 13, устройство сравнения с порогом 14, ключ 15 - выполнены на стандартных микросхемах (Интегральные микросхемы. Справочник под ред. Т.В. Тарабрина. - М.: Радио и связь, 1984).

Блок обнаружения угловых пакетов 9 (фиг.4) построен на основе известной структурной схемы (Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации. М.: Советское радио, 1974, стр.38-40, рис.1.11).

Вычислитель 10 реализует вычисления в соответствии с формулой (3).

Вычислитель 12 реализует вычисления в соответствии с формулой: , где _i - весовые коэффициенты, определенные заранее (Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации. М.: Советское радио, 1974, стр.39, формула (1, 3, 6а)).

Блок определения мощности сигнала, соответствующего расположению объекта на направлении максимума луча 11, может быть выполнен как устройство, в котором определяется наибольшая мощность сигнала среди набора сигналов (в пакете принятых сигналов), например, на устройствах сравнения (Интегральные микросхемы. Справочник под ред. Б.В. Тарабрина. - М.: Радио и связь, 1984).

Работа заявляемой РЛС при измерении угловых координат объекта происходит следующим образом. В передатчике 1 по командам синхронизатора 5 (импульсам синхронизации) формируются зондирующие сигналы, которые в процессе обзора пространства с помощью антенны 3 излучаются в пространство. Отраженные от объекта сигналы принимаются антенной 3, поступают в приемник 4. С выхода приемника 4 сигналы поступают на вход порогового устройства 5, где сравниваются с порогом, который задается исходя из допустимой вероятности ложных тревог. Сигналы, уровень которых превышает пороговый, проходят на выход порогового устройства 5. Обнаруженные сигналы с выхода порогового устройства 5 и сигналы, пропорциональные угловым координатам луча антенны 3, поступают в блок оценки угловых координат 7. Значения мощности сигналов с соответствующими угловыми координатами луча по мере движения луча антенны при обзоре пространства записываются в запоминающее устройство обнаруженных сигналов 8 и хранятся там. По командам с синхронизатора 6 из запоминающего устройства обнаруженных сигналов 8 извлекаются записанные в них данные и подаются в блок обнаружения угловых пакетов 9, где происходит обнаружение угловых пакетов принятых сигналов (фиг.4). Уровни принятых сигналов и соответствующие принятым сигналам угловые координаты луча поступают на первые М входов вычислителя 12, на вторые М входов вычислителя 12 поступают весовые коэффициенты из запоминающего устройства весовых коэффициентов 13. В вычислителе 12 производятся перемножения значений мощности сигналов и соответствующих, заранее записанных в запоминающее устройство весовых коэффициентов 13, весовых коэффициентов и суммирование полученных произведений. Сигнал, пропорциональный полученной сумме, подается в устройство сравнения с порогом 14, где сравнивается с заранее установленным порогом. Уровень порога задается исходя из допустимой вероятности ложного обнаружения углового пакета. При превышении порога на выходе устройства сравнения с порогом 14 выдается импульс, означающий, что обнаружен угловой пакет сигналов. Данный импульс разрешает прохождение принятых сигналов и координат луча, соответствующих принятым сигналам, через ключ 15 на выход блока обнаружения угловых пакетов 9 и далее - на М входов блока определения мощности сигнала, соответствующего расположению объекта на направлении максимума луча 11. В данном блоке определяется мощность, которую имел бы сигнал, отраженный от объекта, если бы объект находился в максимуме ДНА. В качестве определяемой в данном блоке мощности может быть взята максимальная мощность сигнала в пакете принятых сигналов. Сигнал, пропорциональный определенной таким образом мощности, вместе с данными о сигналах в угловом пакете поступает в вычислитель 10. В вычислителе 10 в соответствии с формулой (3) определяется угловая координата объекта. Таким же образом определяется и вторая угловая координата объекта. При этом каждая угловая координата объекта определяется за одну операцию.

Таким образом, заявленные технические решения обеспечивают достижение технического результата - повышение точности измерения угловых координат объекта при ограниченном времени оценки угловых координат.