Способ определения координат объекта (варианты)

 

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для определения координат объектов, содержащих в своем составе определенный химический элемент. Способ определения координат объекта включает облучение зоны наблюдения импульсным электромагнитным сигналом с характеристикой, обеспечивающей проявление эффекта параметрического поглощения энергии электромагнитных волн материальным объектом, прием отраженного от рассеивателя излученного сигнала, прошедшего через объект на луче излучатель - рассеиватель или на луче рассеиватель - приемник. Прием осуществляется в одной точке пространства, в том числе в точке излучения. Измеряют одну из энергетических характеристик сигнала и сравнивают ее с характеристикой, измеренной при достоверном отсутствии объекта в зоне наблюдения. По результатам сравнения и с учетом расчетных значений для прохождения сигнала через объект на луче излучатель - рассеиватель или на луче рассеиватель - приемник принимают решение о наличии объекта в зоне наблюдения. Угловые координаты объекта определяют как углы излучения сигнала в угломестной и азимутальной плоскостях для случая обнаружения объекта на луче излучатель - рассеиватель и как углы приема сигнала - для случая обнаружения на луче рассеиватель - приемник, а расстояние до объекта определяется как расстояние, соответствующее значению принятого отраженного сигнала. В качестве рассеивателя используют естественный (например, тропосферный слой атмосферы) или искусственный (например, радиоголографическая антенна) отражатель. 2 с. и 2 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано для определения координат объектов, содержащих в своем составе определенный химический элемент.

Известны способы определения координат объекта, включающие излучение электромагнитного сигнала в зону наблюдения, его прием и измерение в нескольких точках пространства, удаленных от точки излучения, одной из энергетических характеристик принятого сигнала, принятие решения о наличии объекта в зоне наблюдения с последующей фиксацией его координат (см., например, Кондратьев В. С. и др. "Многопозиционные радиотехнические системы" под ред. В.В. Цветкова. М.: Радио и связь, 1986, с. 14-17, патент РФ N 2081430, МКИ G 01 S 5/02, 13/06, опуб. БИ N 16, 1997).

Из известных наиболее близким по технической сущности является способ определения координат объекта (см. патент РФ N 2081430, МКИ G 01 S 5/02, 13/06), основанный на использовании эффекта параметрического поглощения (ЭПП) энергии электромагнитных волн материальным объектом, заключающийся в том, что при облучении материального объекта электромагнитными импульсами с характеристиками (мощность, частота несущего колебания, длительность и частота следования импульсов), определяемыми параметрами объекта (химический состав, диэлектрическая и магнитная проницаемость), происходит резонансное поглощение внешней энергии на несущей частоте импульсов облучения, обусловленное возбуждением его атомарной структуры и образованием энергетического дефицита в материальном объекте, приводящим к поглощению энергии (см. описание открытия N 31, бюл. ВАК N 6, 1996 г.).

По известному способу осуществляют облучение объекта электромагнитным сигналом, характеристики которого (мощность, длительность импульсов, период следования, несущая частота и др. ) обеспечивают проявление ЭПП, прием и измерение в нескольких точках пространства, удаленных от точки излучения, одной из энергетических характеристик принятого сигнала, принятие решения о наличии объекта в зоне наблюдения по результатам сравнения полученного распределения, измеренного в точках приема, значений энергетической характеристики с ее распределением, соответствующим отсутствию объекта в зоне наблюдения, фиксируют угловые координаты объекта как углы излучения сигнала в угломестной и азимутальной плоскостях, а расстояние до объекта определяют как расстояние, соответствующее выбранному значению энергетической характеристики сигнала, прошедшего через объект без искажения фронта.

Известный способ обеспечивает определение координат объекта, содержащего в своем составе определенный химический элемент. Однако данный способ предполагает реализацию только многопозиционного (в т.ч. бистатического) метода радиолокации. Это означает размещение большого количества станций, синхронизацию их по времени, что затрудняет осуществление работы системы в режиме реального времени. Такая система локации обладает недостаточной мобильностью, что приводит к жесткой фиксации площади наблюдения. Кроме того, реализация известного способа требует, чтобы передатчик и приемник находились на одной прямой по разные стороны от объекта, т.к. необходимо принимать сигнал, прошедший через объект. Таким образом, при определении координат, например, воздушного объекта необходимо, чтобы передатчик (приемник) находился в воздушном пространстве, а приемник (передатчик) - на земле. Данное обстоятельство также нельзя отнести к достоинствам известного способа.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является разработка способа определения координат объекта, обладающего меньшими энергетическими затратами на его осуществление, большей мобильностью системы, реализующей предлагаемый способ, достаточно простым алгоритмом работы в режиме реального времени.

Технический результат выражается в снижении энергетических и аппаратных затрат при реализации способа, несложным процессом осуществления синхронизации при работе в режиме реального времени, увеличении сектора наблюдения за объектом за счет обеспечения кругового сканирования, что обусловлено возможностью приема сигнала в точке излучения (т.е. режимом моностатической радиолокации).

Результат достигается в двух вариантах предложенного технического решения, связанных между собой единым изобретательским замыслом.

По первому варианту в способе определения координат объекта, включающем облучение зоны наблюдения импульсным электромагнитным сигналом с характеристикой, обеспечивающей проявление эффекта параметрического поглощения энергии электромагнитных волн материальным объектом, прием и измерение одной из энергетических характеристик принятого сигнала, принятие решения о наличии объекта и фиксацию координат объекта, принимают отраженный от рассеивателя, расположенного за объектом в зоне наблюдения, излученный сигнал, прошедший через объект на луче излучатель-рассеиватель, прием сигнала осуществляют в одной точке пространства, в том числе в точке излучения, сравнивают измерительную энергетическую характеристику сигнала с ее значением при отсутствии объекта, принимают решение о его наличии в зоне наблюдения при выполнении условий 0 < Pпрм₁ < Pпрм₀, (1) где Pпрм₁ - энергетическая характеристика принимаемого электромагнитного сигнала (текущее значение, на основании которого делается заключение о наличии объекта в зоне наблюдения); Pпрм_о - энергетическая характеристика принимаемого электромагнитного сигнала, соответствующая достоверному отсутствию объекта, несущего заданный химический элемент, в зоне наблюдения; E_изл - энергия электромагнитного сигнала при его излучении; E_м - максимальное значение энергии, поглощаемой объектом при его облучении, вследствие проявления ЭПП; R - расстояние от излучателя до рассеивателя; R' - расстояние от рассеивателя до приемника; D₁ - коэффициент направленного действия антенны излучателя;
D₂ - коэффициент направленного действия антенны приемника;
λ - длина волны излучаемого сигнала;
τ_v - длительность радиоимпульса;
F² - коэффициент рассеивания (отражения) сигнала в направлении приемника, имеющий физический смысл коэффициента затухания, т.е. не обладающий направленными свойствами;
κ - угол отклонения от нормального падения радиоимпульсов на рассеиватель,
фиксируют угловые координаты объекта как углы излучения электромагнитного сигнала в угломестной и азимутальной плоскостях, а расстояние до объекта как расстояние, соответствующее измерительному значению Pпрм₁.

По второму варианту в способе определения координат объекта, включающем облучение зоны наблюдения импульсным электромагнитным сигналом с характеристиками, обеспечивающими проявление эффекта параметрического поглощения энергии электромагнитных волн материальным объектом, прием и измерение одной из энергетических характеристик принятого сигнала, принятие решения о наличии объекта и фиксацию координат объекта, принимают отраженный от рассеивателя излученный сигнал, прошедший через объект на луче рассеиватель-приемник, прием сигнала осуществляют в одной точке пространства, в том числе в точке излучения, сравнивают измеренную энергетическую характеристику сигнала с ее значением при отсутствии объекта, принимают решение о его наличии в зоне наблюдения при выполнении условий
0 < Pпрм₁ < Pпрм₀, (1)

где Pпрм₁ - энергетическая характеристика принимаемого электромагнитного сигнала (текущее значение, на основании которого делается заключение о наличии объекта в зоне наблюдения);
Pпрм₀ - энергетическая характеристика принимаемого электромагнитного сигнала, соответствующая достоверному отсутствию объекта, несущего заданный химический элемент, в зоне наблюдения;
E_изл - энергия электромагнитного сигнала при его излучении;
E_м - максимальное значение энергии, поглощаемой объектом при его облучении, вследствие проявления ЭПП;
R - расстояние от излучателя до рассеивателя;
R' - расстояние от рассеивателя до приемника;
D₁ - коэффициент направленного действия антенны излучателя;
D₂ - коэффициент направленного действия антенны приемника;
λ - длина волны излучаемого сигнала;
τ_v - длительность радиоимпульса;
F² - коэффициент рассеивания (отражения) сигнала в направлении приемника, имеющий физический смысл коэффициента затухания, т.е. не обладающий направленными свойствами;
κ - угол отклонения от нормального падения радиоимпульсов на рассеиватель,
фиксируют угловые координаты объекта как углы приема электромагнитного сигнала в угломестной и азимутальной плоскостях, а расстояние до объекта как расстояние, соответствующее измеренному значению Pпрм₁.

Аналитическое описание соответствия определяемого расстояния до объекта измеренным значением Pпрм₁ может быть представлено, например, следующими выражениями:

для первого варианта способа и

для второго варианта,
где Pпрм₁ - энергетическая характеристика принимаемого электромагнитного сигнала (текущее значение, на основании которого делается заключение о наличии объекта в зоне наблюдения);
P_изл - мощность излучаемого сигнала;
E_изл - энергия электромагнитного сигнала при его излучении;
E_м - максимальное значение энергии, поглощаемой объектом при его облучении, вследствие проявления ЭПП;
R - расстояние от излучателя до рассеивателя;
R' - расстояние от рассеивателя до приемника;
R₁ - расстояние от излучателя до объекта;
D₁ - коэффициент направленного действия антенны излучателя;
D₂ - коэффициент направленного действия антенны приемника;
λ - длина волны излучаемого сигнала;
i - количество радиоимпульсов;
τ_v - длительность радиоимпульса;
T₀ - период следования радиоимпульсов;
t_n - длительность паузы;
F² - коэффициент рассеивания (отражения) сигнала в направлении приемника, имеющий физический смысл коэффициента затухания, т.е. не обладающий направленными свойствами;
S_о - площадь облучаемой поверхности объекта;
S_л - максимальное, теоретически возможное количество энергии, которое может быть поглощено объектом при проявлении ЭПП;
S_k - спектральная составляющая радиоимпульса по k-й гармонике;
κ - угол отклонения от нормального падения радиоимпульсов на рассеиватель.

В обоих вариантах в качестве рассеивателя могут быть использованы как естественный отражатель, например тропосферный слой атмосферы, так и искусственный, в качестве которого используют, например, радиоголографическую антенну. В качестве естественного отражателя также может быть использован ионосферный слой, а в качестве радиоголографической антенны, например, - антенна по патенту РФ N 2099880, МКИ H 04 B 7/22, БИ N 35, 1997 г. Кроме того, искусственным рассеивателем могут служить угловые отражатели, установленные, например, на дирижабле, размещенном в зоне наблюдения.

Формирование характеристик излучаемого электромагнитного сигнала, обеспечивающих проявление ЭПП, осуществляется известным путем (см., например, пат. РФ N 2073884, МКИ G 01 S 13/04). Параметры сигнала - мощность, частота, период следования импульсов, их длительность - определяются исходя из химического состава материала объекта и выбираются заранее.

Определение координат объекта осуществляется следующим образом.

Производят тестовое сканирование наблюдаемого пространства импульсным электромагнитным сигналом с характеристикой, обеспечивающей проявление ЭПП энергии электромагнитных волн материальным объектом, с целью определения детерминированных значений одной из энергетических характеристик принимаемого отраженного от рассеивателя сигнала, например, мощности (Pпрм₀), при достоверном отсутствии искомого объекта в зоне наблюдения, т.е. осуществляют калибровку сигнала.

На основе полученных результатов измерений выстраивается матрица детерминированных значений Pпрм₀, с которой будет производиться сравнение текущих значений энергетической характеристики Pпрм₁ принимаемого зондирующего сигнала.

В режиме поиска объекта излучают импульсный электромагнитный сигнал в зону наблюдения с одновременным сканированием по заранее выбранному закону. При появлении в зоне объекта, имеющего в своем составе заданный химический элемент, и облучение его указанным электромагнитным сигналом, обеспечивающим проявление на его поверхности ЭПП, происходит перераспределение энергии по фронту радиолокационной волны, проходящей через объект. Текущие значения энергетической характеристики Pпрм₁ принимаемого отраженного от рассеивателя сигнала, прошедшего через объект, сопоставляются с матрицей значений энергетической характеристики Pпрм₀. Решение о наличии в зоне наблюдения объекта, несущего заданный химический элемент, по первому варианту способа принимают при выполнении условий (1) и (2). Угловые координаты объекта определяют как углы излучения электромагнитного сигнала в угломестной и азимутальной плоскостях в текущий момент, а расстояние до объекта определяют на основании измеренных значений энергетической характеристики принимаемого отраженного сигнала Pпрм₁, аналитически описываемое выражением (4).

По второму варианту способа решение о наличии объекта в зоне наблюдения принимают при выполнении условий (1) и (3). Угловые координаты объекта определяют как углы приема отраженного от рассеивателя электромагнитного сигнала в угломестной и азимутальной плоскостях в текущий момент, а расстояние до объекта определяют на основе измеренных значений энергетической характеристики принимаемого сигнала Pпрм₁, аналитически описываемое выражением (5).

Согласно предлагаемому способу обеспечивается прием отраженного сигнала в точке излучения, т.е. помимо бистатического варианта реализуется вариант моностатической радиолокации, который позволяет осуществить круговое сканирование, увеличивая, тем самым, сектор обнаружения и пеленгации, повысить мобильность системы и упростить синхронизацию работы в режиме реального времени.

Согласно второму варианту способа, объект может быть обнаружен и запеленгован также и в случае, когда он находится вне прямой видимости с сточки излучения. Это обусловлено тем, что осуществляется прием отраженного сигнала, который проходит через объект на луче рассеиватель-приемник. Таким образом, увеличивается дальность обнаружения и обеспечивается ранняя пеленгация объекта.

Формула изобретения

1. Способ определения координат объекта, включающий облучение зоны наблюдения импульсным электромагнитным сигналом с характеристиками, обеспечивающими проявление эффекта параметрического поглощения (ЭПП) энергии электромагнитных волн материальным объектом, прием и измерение одной из энергетических характеристик принятого сигнала, принятие решения о наличии объекта и фиксацию координат объекта, отличающийся тем, что принимают отраженный от рассеивателя, расположенного за объектом в зоне наблюдения, излученный сигнал, прошедший через объект на луче излучатель-рассеиватель, прием сигнала осуществляют в одной точке пространства, в том числе в точке излучения, сравнивают измеренную энергетическую характеристику сигнала с ее значением при отсутствии объекта, принимают решение о его наличии в зоне наблюдения при выполнении условий
O < P_прм1 < P_прм0

где P_прм1 - энергетическая характеристика принимаемого электромагнитного сигнала (текущее значение, на основании которого делается заключение о наличии объекта в зоне наблюдения);
P_прм0 - энергетическая характеристика принимаемого электромагнитного сигнала, соответствующая достоверному отсутствию объекта, несущего заданный химический элемент, в зоне наблюдения;
E_изл - энергия электромагнитного сигнала при его излучении;
E_м - максимальное значение энергии, поглощаемой объектом при его облучении, вследствие проявления ЭПП;
R - расстояние от излучателя до рассеивателя;
R' - расстояние от рассеивателя до приемника;
D₁ - коэффициент направленного действия антенны излучателя;
D₂ - коэффициент направленного действия антенны приемника;
λ - длина волны излучаемого сигнала;
τ_v - длительность радиоимпульса;
F² - коэффициент рассеивания (отражения) сигнала в направлении приемника, имеющий физический смысл коэффициента затухания, т.е. не обладающий направленными свойствами;
κ - угол отклонения от нормального падения радиоимпульсов на рассеиватель,
фиксируют угловые координаты объекта как углы излучения электромагнитного сигнала в угломестной и азимутальной плоскостях, а расстояние до объекта как расстояние, соответствующее измеренному значению Pпрм₁.

2. Способ определения координат объекта, включающий облучение зоны наблюдения импульсным электромагнитным сигналом с характеристикой, обеспечивающей проявление эффекта параметрического поглощения энергии электромагнитных волн материальным объектом, прием и измерение одной из энергетических характеристик принятого сигнала, принятие решения о наличии объекта и фиксацию координат объекта, отличающийся тем, что принимают отраженный от рассеивателя излученный сигнал, прошедший через объект на луче рассеиватель-приемник, прием сигнала осуществляют в одной точке пространства, в том числе в точке излучения, сравнивают измеренную энергетическую характеристику сигнала с ее значением при отсутствии объекта, принимают решение о его наличии в зоне наблюдения при выполнении условий
O < P_прм1 < P_прм0

где P_прм1 - энергетическая характеристика принимаемого электромагнитного сигнала (текущее значение, на основании которого делается заключение о наличии объекта в зоне наблюдения);
P_прм0 - энергетическая характеристика принимаемого электромагнитного сигнала, соответствующая достоверному отсутствию объекта, несущего заданный химический элемент, в зоне наблюдения;
E_изл - энергия электромагнитного сигнала при его излучении;
E_м - максимальное значение энергии, поглощаемой объектом при его облучении, вследствие проявления ЭПП;
R - расстояние от излучателя до рассеивателя;
R' - расстояние от рассеивателя до приемника;
D₁ - коэффициент направленного действия антенны излучателя;
D₂ - коэффициент направленного действия антенны приемника;
λ - длина волны излучаемого сигнала;
τ_v - длительность радиоимпульса;
F² - коэффициент рассеивания (отражения) сигнала в направлении приемника, имеющий физический смысл коэффициента затухания, т.е. не обладающий направленными свойствами;
κ - угол отклонения от нормального падения радиоимпульсов на рассеиватель,
фиксируют угловые координаты объекта как углы приема электромагнитного сигнала в угломестной и азимутальной плоскостях, а расстояние до объекта как расстояние, соответствующее измеренному значению P_прм1.

3. Способ определения координат по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве рассеивателя используют естественный отражатель, например, тропосферный слой атмосферы.

4. Способ определения координат по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве рассеивателя используют искусственный отражатель, например, радиоголографическую антенну.