Способ измерения угловых координат движущихся объектов доплеровской станцией

Изобретение относится к системам пеленгации движущихся объектов на основе обработки радиотехнических или акустических (гидроакустических) сигналов, принимаемых антенной решеткой (АР). Техническим результатом является обеспечение сокращения времени обработки сигналов за счет обработки сигналов не в частотной, а во временной области. В отличие от прототипа, в котором угловые координаты движущихся объектов находятся фазовым методом путем выделения доплеровских частот объектов в спектрах промежуточной частоты нескольких измерительных каналов с последующим измерением фаз выделенных спектральных составляющих, в предложенном способе доплеровские частоты объектов выделяются во временной области при сглаживании сигналов по мере их поступления в измерительных каналах, а фазы также измеряются во временной области путем подачи поступающих сигналов на вход специально настроенного калмановского фильтра с учетом найденных частот, на выход которого подаются оценки фаз, что позволяет уменьшить время измерения фаз и нахождения угловых координат объектов в два раза. 1 табл.

 

Изобретение относится к системам пеленгации движущихся объектов на основе обработки радиотехнических или акустических (гидроакустических) сигналов, принимаемых

В известных способах [1-3] для обнаружения и нахождения пространственных координат движущихся объектов доплеровской станцией, посылающей зондирующие сигналы станцией с антенной решеткой (АР).и принимающей отраженные сигналы в нескольких элементах АР, сигналы подвергают первичной обработке в независимых приемных каналах. По результатам первичной обработки сигналы в цифровой форме в каждом элементе разрешения дальности переводят в спектр дискретным преобразованием Фурье (ДПФ). В полосе доплеровских частот выделяют те частоты, на которых амплитуды спектральных составляющих превышают порог обнаружения во всех Q приемных каналах (по числу приемных элементов АР). Далее спектральные составляющие обрабатывают моноимпульсным [1], амплитудным [2] или фазовым [3] методами. В последнем случае определяют фазы выделенных спектральных составляющих и по разности фаз находят координаты объектов, разрешенных по доплеровской частоте в элементах дальности. Во всех этих способах в каждом элементе дальности (число m таких элементов составляет сотни) дискретные выборки из n отсчетов сигналов (число n таких элементов также составляет сотни) подвергают ДПФ. Если принять за τ время формирования одного спектра, то при самом малом числе m=n=100 и Q=5 общее время частотного преобразования сигнала T=mnQτ составляет T=5⋅10⁴ τ. Если сократить это время, например, в N=5 раз, то сохраненный резерв времени Т'=mnQτ(N-1)/N (в примере это Т=4⋅10⁴ τ) можно направить на расширение функциональных возможностей станции.

Рассмотрим в качестве прототипа способ [3], который применительно к задаче обнаружения объектов и 5-элементной АР (Q=5) заключается в следующем.

1. Центры приемных элементов АР располагают в плоскости антенны OXY в точках с прямоугольными координатами центров (х₁,у₁)=(0,0), (х₂,у₂)=(а,0), (х₃,у₃)={0,а), (х₄,у₄)=(-b,0), (х₅,у₅)=(0,-b), а>0, b>0, несимметрично (для учета неоднозначности измерения фазы).

2. При данном положении линии визирования антенны станция посылает зондирующие сигналы, затем принимает отраженные сигналы в q-x приемных элемента АР и обрабатывает их в аналитической (комплексной) форме на заданном промежутке времени в q-x приемных каналах первичной обработки (число приемных каналов Q по числу элементов АР). При этом сигналы переводят с несущей частоты на промежуточную частоту, позволяющую выделять полосу частот с доплеровским смещением, зависящим от радиальной составляющей вектора скорости движения объекта.

3. Сигналы селектируют в i-x элементах разрешения дальности R_i, , по задержке времени прихода отраженного сигнала. В результате из выделяют i-е составляющие по числу элементов дальности m.

4. В каждом q-м канале и в i-м элементе дальности ) со значением R_i сигналы преобразуют в дискретные временные последовательности (n - число временных отсчетов сигнала).

5. Последовательности , переводят в частотную область, подвергая их ДПФ. В результате получают частотные спектры в q-x каналах в полосе промежуточных частот, включающих смещение по доплеровской частоте:

6. В указанной полосе из n частот выбирают те k-Q частоты, на которых амплитуда сигнала превышает порог обнаружения во всех q-x каналах .

7. Для каждой k-й выбранной совокупности Q измерений , , находят пространственные координаты k-го обнаруженного объекта, а именно:

7.1. Берут аргументы комплексных величин - фазы

7.2. Вычисляют разности фаз

7.3. Для полученных разностей фаз находят оценки прямоугольных координат объекта (в антенной системе координат) по формулам

где k=2π/λ, λ - длина волны.

7.4. Оценки прямоугольных координат пересчитывают в угловые координаты азимута и угла места .

Замечание. В случае широкой диаграммы направленности антенны (ДНА) дополнительно в операциях п. 7.1, 7.2 применяют операции устранения неоднозначности измерения разности фаз.

Данный способ обладает недостатком - избыточным временем обработки сигналов Т=mnQτ из-за необходимости перехода в частотную область.

Предлагаемое техническое решение направлено на устранение этого недостатка, а именно на сокращение времени m в N раз и получение резерва времени T'=mnQτ(N-1)/N за счет обработки сигналов не в частотной, а во временной области.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается применением способа измерения угловых координат движущихся объектов доплеровской станцией, который заключается в передаче зондирующих сигналов и приеме сигналов отражения в элементах антенной решетки, переводе сигналов в полосу промежуточных частот в приемных каналах первичной обработки, дискретизации сигналов по времени в каждом элементе разрешения дальности, выделении частоты сигналов, на которой амплитуды сигналов превышают порог обнаружения во всех приемных каналах и определении координат обнаруженных объектов фазовым методом, отличающийся тем, что, начиная с момента обнаружения сигналов от объекта, дискретные временные последовательности во всех каналах сглаживают с помощью трехступенчатого экспоненциального фильтра, рассчитанного на параболическую модель, фиксируют моменты времени перехода сглаженного гармонического сигнала через ноль и формируют последовательность оценок полупериодов, которые усредняют и определяют оценку частоты , где Δ_q - оценка полупериода в q-м канале, после чего выбирают общую для всех каналов оценку частоты как медиану , затем дискретные последовательности в q-x каналах подаются на фильтр Калмана, настроенный на гармоническую модель сглаженного сигнала с общей оценкой частоты , на выход которого поступают оценки амплитуд гармонических составляющих, затем через отношение оценок амплитуд вычисляют фазы сигналов в q-x каналах и фазовым методом находят оценки угловых координат объектов.

Алгоритмически способ заключается в следующем.

1-4. Первые четыре операции совпадают с операциями способа прототипа.

5. В последовательностях , выделяют действительную часть (Q - число каналов, символ i опущен).

6. Определяют момент времени t₀, начиная с которого амплитуды сигналов во всех Q каналах превышают порог обнаружения полезного сигнала.

7. Начиная с момента t₀, в каждом q-м канале последовательность сглаживают рекуррентно с помощью трехступенчатого экспоненциального фильтра, рассчитанного на параболическую модель x_q(t_j) в пределах эффективной памяти фильтра. Результатом является сглаженная последовательность во времени t_j.

8. Фиксируют момент времени перехода сглаженного гармонического сигнала через ноль в каждом q-м канале и формируют последовательность оценок полупериодов Δ₁,Δ₂,…,Δ_N, на промежутке [t₀,t₁] присутствия полезного сигнала (до появления переотраженного сигнала), которые усредняют к моменту t₁ и получают оценки и соответственно оценки частоту . Окончательная оценка частоты выбирается как медиана оценок :

9. На следующем этапе обработки , начиная с момента t_k0, t₀<t_k0<t₁, вычисляются оценки фаз ψ_q в q-x каналах с помощью фильтра Калмана, настроенного на модель сглаженного сигнала x_q(t_j) в каждом q-м канале вида

где w_q(t_j) - ошибка фильтрации, дисперсия которой содержится в ковариационной матрице R_j, и вектор состояния , подчиненный уравнению

.

При этом модель измерений принимает вид

Фильтр Калмана последовательно находит оценки вектора X_k к моменту времени t₁:

где k=k₀,k₀+1,k₀+2,…,n₁<n, R_k - ковариационная матрица ошибок оценивания, начальное значение которой R₀ принимается равным единичной матрице; R_k,k+1 - экстраполированная ковариационная матрица ошибок оценивания с момента t_k на t_k+1; - экстраполированный вектор состояния; K_k+1 - коэффициент усиления калмановского фильтра. Начальный вектор оценок принимается нулевым.

10. На основании вычисляют оценки фаз по формуле

или с учетом π в зависимости от знаков .

11. Дальнейшую обработку фаз , осуществляют в соответствии с пп. 7.2-7.4 прототипа.

Результаты моделирования

Моделировалось движение объекта в пространстве со скоростью 10-15 м/с по линейному закону в сторону приемника. Объект наблюдался в элементе разрешения дальности R=100 м в пределах ширины круговой ДНА ±30° (на уровне 0,5 мощности). Сигнал моделировался как квазинепрерывный гармонический комплексный сигнал в сантиметровом диапазоне длин волн, на промежуточной частоте f_п=10³, при шаге дискретизации Δt=t_i+1-t_i=1/(8f_п) и параметрах АР a=3λ, b=0,5λ.

В таблице даны показатели, полученные при обработке во временной и спектральной областях в зависимости от значения точной базы а.

Определялись оценки среднего значения M[d], среднеквадратического отклонения (СКО) σ[d] случайной величины d, имеющей смысл расстояния между моделируемым и найденным положением объекта и распределенной по закону Максвелла, а также оценки вероятности обнаружения объекта D. Объект считался обнаруженным, если величина d не поревышала 3 м. Количество повторений опыта на множестве 5000 реализаций случайного шума при отношении сигнал-шум 30 дБ, мультипликативного шума с СКО σ_γ=10^-3. Шум измерения фазы в каждом канале , где СКО рассчитывался в соответствии с [4] как , где k - коэффициент, который при оптимальной обработке сигнала равен 1; q=Р_с/Р_ш=E/N₀ - отношение мощностей сигнала и шума на входе измерителя, что при q=30 дБ: .

Заключение

Сравнительный анализ предложенного способа и способа прототипа, основанных на измерении доплеровского сдвига частоты и разности фаз соответственно во временной и частотной областях, показывает близкие результаты по точности оценок с небольшим преимуществом по вероятности 0,95 обнаружения объекта в предложенном способе, рассчитанном на обработку сигнала во временной области. При этом время обработки данных в алгоритме, реализующем предложенный способ, меньше в 2 раза, чем в алгоритме способа прототипа. Это позволяет быстрее и с большей вероятностью обнаруживать движущиеся объекты, разрешенные по дальности. Способ применим в существующих системах пеленгации движущихся объектов.

Литература

1. Патент RU 2534224 С1. Способ измерения координат элементов земной поверхности в бортовой четырехканальной доплеровской РЛС / В.К. Клочко, Ч.Т. Нгуен. Приоритет 25.04.2013. Опубл. 27.11.2014. Бюл. №33.

2. Патент RU 2569843. Способ формирования трехмерного изображения земной поверхности в бортовой доплеровской РЛС с линейной антенной решеткой / В.К. Клочко. Приоритет 25.11.2014. Опубл. 27.11.2015. Бюл. №33.

3. Патент RU 2572357. Способ формирования трехмерного изображения земной поверхности в бортовой четырехканальной доплеровской РЛС / В.К. Клочко. Приоритет 25.11.2014. Опубл. 10.01.16. Бюл. №1.

4. Бакулев П.А. Радиолокационные системы: учебник для вузов. М.: Радиотехника, 2007. 376 с.

Способ измерения угловых координат движущихся объектов доплеровской станцией, заключающийся в передаче зондирующих сигналов и приеме сигналов отражения в элементах антенной решетки, переводе сигналов в полосу промежуточных частот в приемных каналах первичной обработки, дискретизации сигналов по времени в каждом элементе разрешения дальности, выделении частоты сигналов, на которой амплитуды сигналов превышают порог обнаружения во всех приемных каналах, и определении координат обнаруженных объектов фазовым методом, отличающийся тем, что, начиная с момента обнаружения сигналов от объекта, дискретные временные последовательности во всех каналах сглаживают с помощью трехступенчатого экспоненциального фильтра, рассчитанного на параболическую модель, фиксируют моменты времени перехода сглаженного гармонического сигнала через ноль и формируют последовательность оценок полупериодов, которые усредняют и определяют оценку частоты , где Δ_q - оценка полупериода в q-м канале, после чего выбирают общую для всех каналов оценку частоты как медиану , затем дискретные последовательности в q-x каналах подаются на фильтр Калмана, настроенный на гармоническую модель сглаженного сигнала с общей оценкой частоты , на выход которого поступают оценки амплитуд гармонических составляющих, затем через отношение оценок амплитуд вычисляют фазы сигналов в q-x каналах и фазовым методом находят оценки угловых координат объектов.