CC BY
91УДК 621.396.96
Д. М. Смирнова
Нижегородский государственный технический университет
I Определение координат наземных целей в многопозиционной просветной радиолокационной системе*
Рассмотрены особенности измерения координат наземных целей в многопозиционной радиолокационной системе с обнаружением "на просвет". Получены точностные характеристики определения координат. Приведены результаты математического моделирования алгоритмов.
Многопозиционная радиолокационная система с обнаружением "на просвет", многочастотная антенная решетка, совместная пространственно-временная обработка сигналов
Задача высокоточного измерения координат движущихся наземных объектов радиолокационным методом в условиях открытой или лесистой местности может быть решена при помощи просветных радиолокационных систем (РЛС). Вследствие простоты практической реализации распространение получили просветные РЛС с непрерывным зондирующим сигналом [1], [2]. Возможности таких просветных РЛС в отношении измерения координат движущихся наземных объектов различны и зависят от конфигурации системы.
Существующие методы определения координат целей в просветных РЛС основаны на использовании в качестве первичных (измеряемых) параметров суммарной дальности, доплеровского сдвига частоты /д и направления прихода а отраженного от цели сигнала,
измеренного относительно передающей или приемной позиции [2]-[4].
В случае медленно движущихся наземных целей полоса пассивной помехи от растительности практически совпадает с шириной спектра отраженного сигнала, из-за чего нельзя использовать частотную селекцию сигнала на фоне пассивных помех и, следовательно, невозможно непосредственно измерить частоту Доплера.
Для обнаружения человека оптимальная частота излучения передатчика X равна 64 МГц (при этом человек в первом приближении представляет собой полуволновой вибратор). В данном диапазоне частот антенная система с узкой диаграммой направленности труднореализуема из-за больших размеров. Следовательно, в двухпозиционной просветной РЛС, работающей в указанном диапазоне с применением ненаправленных (штыревых, магнитных) антенн, невозможно измерить направление на цель.
С другой стороны, даже при наличии измерений частоты Доплера и угла прихода волны построить эффективный алгоритм сопровождения целей, движущихся по произвольным траекториям, на основе двухпозиционной системы крайне затруднительно. Алгоритмы траекторной обработки для таких систем известны лишь для случая движения целей по траекториям, близким к линейным [3], [4].
Для решения задач оптимального обнаружения наземных целей на фоне пассивных помех от растительности и измерения их координат целесообразно использовать многопо-
* Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках гранта Президента РФ
№ МК-7.2010.10 (договор № 02.120.11.7-МК от 28.06.2010). 72 © Смирнова Д. М., 2011
зиционную радиолокационную систему (МПРЛС), в которой применяется совместная пространственно-временная обработка сигналов, соответствующих различным позициям [5]. Использование многопозиционной структуры позволяет измерить координаты цели и при использовании ненаправленных антенн.
В [5] приведено описание МПРЛС, состоящей из нескольких передающих позиций и одной приемной позиции, позволяющей измерять координаты наземных целей фазовым (раз-ностно-дальномерным) методом. При расстояниях между передатчиками, значительно превышающих X/ 2, совокупность передающих разнесенных позиций рассматривается как разреженная антенная решетка. Использование такой системы позволяет сформировать узкую диаграмму направленности (ДН) и использовать амплитудный метод измерения координат. Однако при этом возникает неоднозначность измерения угловой координаты, что связано с периодически повторяющимися главными максимумами. Для решения этой проблемы предлагается использовать рассмотренную далее многочастотную многопозиционную систему.
Рассмотрим МПРЛС, состоящую из нескольких передающих позиций и одной приемной позиции (рис. 1), где ПП1, ПП2, ..., ПП10 - передающие позиции, ПрП - приемная позиция, Ь - длина 1-й линии базы*. Каждая передающая позиция излучает сигнал на
N = 5 несущих частотах. Значения этих частот существенно различны и выбираются таким образом, чтобы побочные главные лепестки парциальных ДН, сформированных для каждой из частот, не перекрывались [6]. Набор частот излучения на всех позициях одинаков, поэтому для разделения приемных каналов, соответствующих различным передающим позициям, несущие частоты каждого из передатчиков смещаются на величину, не оказывающую заметного влияния на формирование парциальных ДН, соответствующих каждому диапазону. Далее будем называть каналы приема сигналов, соответствующие различным позициям, пространственными каналами. Набор смещенных несущих частот, используемых для формирования одной парциальной ДН, будем называть частотным диапазоном, а каждую из смещенных частот внутри диапазона - поддиапазоном.
Общая структурная схема приемной позиции приведена на рис. 2, где МШУ - малошу-мящий усилитель, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, ППнЧ1 и ППнЧ2 - преобразователи с понижением частоты, ЦГ - цифровой гетеродин, РФ - режекторный фильтр. Поскольку полоса доплеровских частот сигнала, отраженного от цели, сравнима с полосой фазовых шумов генератора, то для обеспечения возможности выделения на приемной позиции комплексной огибающей (КО) сигнала необходимо передавать на приемную позицию когерентный опорный сигнал. Для этого используется выделенный канал связи, представленный на приемной пози-
* Альтернативная система, состоящая из нескольких приемных позиций и одной передающей, имеет точно такие же функциональные возможности.
Рис. 2
ции модемом. Преобразователь с понижением частоты ППнЧ1 предназначен для переноса спектра принимаемого колебания на нулевую частоту и выделения квадратурных каналов, а преобразователь ППнЧ2 позволяет избавиться от фазовых шумов генератора. Следует отметить, что схема приемного канала не содержит аналогового местного гетеродина, так как его использование привело бы к внесению дополнительных фазовых шумов. Поэтому аналого-цифровое преобразование осуществляется непосредственно на радиочастоте, что без труда реализуется при использовании современной элементной базы. Режекторный фильтр подавляет постоянную составляющую, обусловленную наличием мощного прямого сигнала передатчика. Совместная пространственно-временная обработка сигналов (ПВОС), принятых в различных пространственных каналах, включает в себя алгоритмы оптимального обнаружения и измерения координат движущихся объектов.
На входе системы совместной обработки сигналов присутствует КО отраженного от цели сигнала, содержащая информацию о доплеровской фазе:
и„, (*) = иш, (*) е1 [*-(*(
где итп (*) - амплитуда отраженного от цели сигнала; т = 1, 10 - номер передающей позиции (частотного поддиапазона); п = 1, 5 - номер частотного диапазона; фтп (*) = = [2л(т-1)ё/Хтп]Бта* - разность фаз, обусловленная разностью хода сигналов, излучаемых первой и т-й передающими позициями МПРЛС (см. рис. 1) и отраженных от цели в момент времени * (ё - расстояние между передающими позициями; %тп - длина волны излучения т-го передатчика в п-м частотном диапазоне; а * - азимутальное направление прихода отраженного от цели сигнала); фд (*) - фазовый сдвиг сигнала в п-м пространственном
канале т-го частотного поддиапазона, обусловленный доплеровским смещением частоты.
Амплитуда отраженного от цели сигнала итп (*) прямо пропорциональна корню квадратному из эффективной площади рассеяния цели и уменьшается по мере удаления цели от передающих и приемной позиций.
Таким образом, многочастотная разреженная передающая антенная решетка позволяет сформировать ДН с относительно узкими лучами. При этом формирование ДН производится на приемной позиции при помощи алгоритмов совместной когерентной обработки пространственных каналов. Тем самым обеспечивается возможность однозначного измерения 74
Рис. 3
угловой координаты цели относительно фазового центра разреженной антенной решетки, представленной разнесенными передатчиками, например, моноимпульсным методом [7] при формировании нескольких парциальных лучей. Для определения местоположения цели необходимо иметь не менее двух измерений угловых координат, полученных относительно различных точек на плоскости. Для решения этой задачи можно использовать систему, содержащую две группы передающих позиций или одну группу, разделенную на две подгруппы. Местоположение цели определяется как пересечение пеленгов, соответствующих двум разным группам передающих позиций. При дальнейшем анализе системы будем полагать, что каждая группа передающих позиций содержит пять передатчиков.
Структурная схема системы совместной пространственно-временной обработки сигналов приведена на рис. 3 ( Uqi и U02 - векторы входных сигналов первой и второй позиций соответственно; ДОС - диаграммообразующая схема; U-/ U+ - блок вычисления нормированного сигнала как отношения разностного U- и суммарного U+ сигналов).
Формирование L лучей ДН происходит суммированием сигналов пространственных каналов, взвешенных комплексными коэффициентами, вычисленными из условия формирования максимумов лучей ДН в заданном направлении. Алгоритм пространственной обработки может быть записан следующим образом:
S (k) = X X Umn (k) e~J 2ПРm] Sinal ,
m=1 n=1
где Si (k) - значение комплексной огибающей i-й ДН в k-й момент времени; M - число передающих позиций; N - число частотных диапазонов; ai - направление главного лепестка l-й ДН.
В каждый момент времени k определяется луч с максимальным значением амплитуды Umax и номера соседних лучей. Алгоритм вычисления координат выполняется при принятии решения об обнаружении сигнала. По номеру луча с максимальным откликом и по отношению амплитуд сигналов в этом луче и в одном из соседних с ним лучей вычисляется нормированный сигнал:
U-/U+ = (Umax -Uc)/(Umax + Uc), (1)
где U- = Umax - Uc; U+ = Umax + Uc; Uc - амплитуда отклика в соседнем луче.
Затем вычисляется оценка угловой координаты цели (азимута а). При этом используется заранее составленная таблица соответствия значений угловой координаты и нормированного сигнала (1) (дискриминационная характеристика).
Рис. 4 Рис. 5
Принцип действия устройства обнаружения аналогичен описанному в [5], в котором для эффективного обнаружения цели на фоне пассивных помех от растительности используется корреляционный алгоритм совместной обработки сигналов, соответствующих разным пространственным каналам.
В процессе исследований разработан алгоритм вычисления квазиоптимальных значений длин волн, при которых обеспечивается смещение побочных главных максимумов ДН, соответствующих разным частотным диапазонам, друг относительно друга и обеспечивается отношение главного лепестка ДН к боковым лепесткам, достаточное для однозначного измерения угловой координаты. При этом значения длин волн выбирались согласно формуле Хп-1 = Хп ± АХп, где АХп= кАХп, а для определения коэффициента к использовался алгоритм автоматического выбора значения согласно критерию минимума боковых лепестков ДН.
На рис. 4 приведены диаграммы направленности Г (а), построенные для пяти частотных диапазонов: кривая 1 - Х = 5.2 м; кривая 2 - Х = 5.5 м; кривая 3 - Х = 6.0 м; кривая 4 - Х = 6.5 м; кривая 5 - Х = 7.2 м.
На рис. 5 приведены диаграммы направленности Г (а) пятиэлементной многочастотной передающей антенной решетки, сформированные для двух направлений. Из рисунка следует, что отношение уровня основного лепестка каждого из лучей к уровню боковых лепестков составляет около 10 дБ.
Работа алгоритма определения координат исследовалась методом математического моделирования. Расстояние между передающими позициями составляло 10 м, расстояние от каждой передающей до приемной позиции (длина линии базы) составляло в среднем 500 м (рис. 6). При моделировании полагалось, что цель движется перпендикулярно линии базы
с постоянной скоростью 4 м/с, а отношение "сигнал/шум" по напряжению на входе системы совместной обработки равно 1.
Построена траектория движения цели и получены количественные оценки точности измерения координат цели в зависимости от угловой координаты а. Усреднение проводилось по результатам 100 независимых экспериментов. На рис. 7
y, м 30 0
- 30
- Две группы
передающих позиций
»- г7 i
/—i— ----•
Т г ПрП
»- J Траектория
1 1 1 1
100 200 300 400 Рис. 6
0
x, м
Рис. 7
приведены графики зависимостей ошибок измерения координат х и y от истинного значения углового положения цели а : оценок смещений измерений Ах и Ay и оценок средне-квадратического отклонения (СКО) ошибок измерения ах и a y. Истинное значение угловой координаты а менялось в пределах от - 6° до + 6°.
Из представленных зависимостей следует, что ошибки измерения координат наземных целей с помощью многочастотной многопозиционной РЛС минимальны при нахождении цели вблизи линии базы. При удалении цели от линии базы ошибки возрастают вследствие расширения формы лучей ДН в направлениях, отличающихся от нормали к антенной решетке. СКО координаты х составляет в среднем 2 % от длины линии базы, а СКО координаты y - 1 %.
На основании проведенного исследования могут быть сделаны следующие выводы:
1. Использование многопозиционной просветной РЛС с далеко разнесенными передающими позициями, имеющими ненаправленные антенны, и одной многоканальной приемной позицией позволяет формировать ДН с узкими лучами и измерять угловые координаты цели амплитудным моноимпульсным методом.
2. При использовании в МПРЛС многочастотных передающих позиций появляется возможность однозначного измерения углового положения цели.
3. Использование двух групп передающих позиций позволяет определять декартовы координаты цели пеленгационным способом по измерениям угловых координат, полученным относительно этих групп позиций.
4. Статистический анализ показал, что СКО ошибок измерения координат не превышает 3 % (для координаты х) и 2 % (для координаты y) от длины линии базы.
Список литературы
1. Bistatic radar: principles and practice / A. B. Blyakhman, V. I. Kostylev, A. V. Myakinkov et al.; ed. by M. Cherniakov. Chichester, England: John Wiley & Sons, 2007. 504 p.
2. Бляхман А. Б., Мякиньков А. В., Рындык А. Г. Пространственно-временная обработка сигналов в би-статической просветной РЛС с антенной решеткой // Радиотехника и электроника. 2004. Вып. 6. С. 707-712.
3. Мякиньков А. В. Оптимизация алгоритма траекторной обработки в бистатической просветной радиолокационной системе в условиях неравноточных первичных измерений // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2009. Вып. 4. С. 69-75.
4. Определение координат целей в просветных радиолокационных системах с подвижными позициями / А. Б. Бляхман, А. В. Мякиньков, А. Г. Огурцов, А. Г. Рындык // Радиотехника и электроника. 2008. Вып. 3. С. 327-332.
5. Мякиньков А. В., Смирнова Д. М. Определение координат наземных целей в многопозиционной радиолокационной системе с обнаружением "на просвет"// 16-я междунар. науч.-техн. конф. "Радиолокация, навигация, связь" (RLNC-2010), Воронеж, 13-15 апреля 2010 г.: сб. докл. Воронеж: ИПЦ ВГУ, 2010. С. 1729-1736.
6. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. М.: Высш. шк., 1988. 432 с.
7. Лёзин Ю. С. Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов. М.: Сов. радио, 1969. 448 с. D. M. Smirnova
Nizhniy Novgorod state technical university
Measurement of coordinates of ground target in multi-static forward-scattering radar
The features of measurement of ground target coordinates in multi static forward scattering radar are considered. The estimation of the accuracy of coordinate measurement is obtained. The results of mathematical modeling of algorithms are presented.
Multi static forward scattering radar, multi frequency antenna array, spatial time signal co-processing
Статья поступила в редакцию 26 октября 2010 г.
