CC BY
19ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
РАСШИРЕНИЕ ДИАПАЗОНА ОДНОЗНАЧНО ИЗМЕРЯЕМОЙ РАДИАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ЦЕЛЕЙ В ИМПУЛЬСНО-ДОПЛЕРОВСКИХ РЛС
Василенко С.И.1, Кудряшов М.Ю.2, Прокофьев А.В.1
1 Закрытое акционерное общество Научно-исследовательский центр «РЕЗОНАНС» (ЗАО НИЦ «РЕЗОНАНС»), г. Москва 2 Тверской государственный университет, г. Тверь
EXTENDING THE RANGE OF UNAMBIGUOUS MEASUREMENT OF RADIAL VELOCITY OF TARGET IN COHERENT-PULSE RADAR STATION
Vasilenko S. I.1, Kudryashov M. Y.2, Prokofev A. V.1
1Researcher at ZAO SRC «Rezonans» 1Russia, 107076, Moscow, 1st Buhvostova str., 12/11, building 20. 2'Associate Professor at Information Technologies department, Tver State University,
Russia, 170100, Tver, 33 Zhelyabova str., TSU.
Аннотация. В работе предложен алгоритм увеличения диапазона однозначного измерения радиальной скорости воздушных объектов (ВО) в импульсно-доплеровских радиолокационных станциях (РЛС) с постоянным периодом повторения зондирующих сигналов (ЗС). Приведено описание и обоснование использования алгоритма. Получены результаты моделирования обработки пачки принятых радиоимпульсов с помощью предложенного подхода на модели современной импульсно-доплеровской РЛС.
Annotation. An algorithm for extending the range of unambiguous measurement of the radial velocity of air objects in pulse-Doppler radar stations with a constant repetition period of probing signals is proposed. The description and substantiation of the use of the algorithm is given. The results of modeling the processing of a packet of received radio pulses using the proposed approach on the model of a modern pulse-Doppler radar are obtained.
Ключевые слова: радиолокационные сигналы, радиальная скорость цели, когерентная обработка сигналов, однозначное измерение радиальной скорости.
Key words: radar signals, target radial velocity, doppler process, measurement of unambiguous measurement of radial velocity
Введение
Известно, что максимальная однозначно определяемая радиальная скорость в импульсно-доплеровских РЛС с постоянным периодом излучения зондирующих сигналов (ЗС) зависит от периода повторения импульсов Т и длины волны Л [2, 4]:
(1)
Следовательно, однозначное измерение радиальной скорости, полученное в результате когерентного накопления (КН) пачки принятых радиоимпульсов, осуществляется для целей с радиальной скоростью = . -: ■ ■ .. Для целей с радиальной скоростью вне указанного диапазона измеренное значение
радиальной скорости является неоднозначным.
В общем случае измеренное значение радиальной скорости можно выразить следующей формулой:
Для увеличения интервала однозначно измеряемых радиальных скоростей используют вобуляцию периода повторения излучаемых ЗС [1,3]. Однако, существует ряд импульсно-доплеровских РЛС, например [5], в которых, в силу разных причин, вобуляция не применяется и для этих станций актуальной является задача однозначного измерения радиальной скорости ВО.
Увеличить диапазон однозначного измерения радиальной скорости ВО возможно при условии априорной информации о характере движения ВО: удаляется (®у > 0) или приближается (гу < 0) к РЛС.
В результате, на основании (2), если знак измеренного значения радиальной скорости гу не соответствует характеру движения ВО, то к измеренному значению следует добавить величину 2ъу , когда ВО удаляется от РЛС или вычесть это значение, если ВО приближается к РЛС.
Как правило, характер движения ВО определяют на этапе вторичной обработки информации при анализе измеренных значений координат ВО [3], а не на этапе межпериодной обработке при измерении радиальной скорости [6].
Следовательно, задачу расширения диапазона однозначного измерения радиальной скорости можно свести к задаче определения характера движения ВО на этапе межпериодной обработки сразу после формирования пачки сжатых принятых радиоимпульсов.
В работе предложен алгоритм, который решает данную задачу и является адаптацией подхода, изложенного в [8].
В целях иллюстрации особенностей работы алгоритма для расчетов и описания шагов алгоритма использованы параметры современной РЛС [5].
В первом разделе приведено описание алгоритма. Во втором разделе изложены основные результаты, полученные в результате моделирования.
1. Алгоритм расширения диапазона однозначного измерения радиальной скорости
При достаточно длительном накоплении пачки принятых радиоимпульсов происходит перемещение цели по дальности, что приводит к потерям, как при когерентном, так и при некогерентном накоплении сигналов [7]. В [8] предложен алгоритм компенсации перемещения цели за время накопления пачки Предложенный подход применим для решения задачи расширения диапазона однозначного измерения радиальной скорости.
Предлагается из исходной пачки принятых сжатых радиоимпульсов
5 = 1*;ООГ
(3)
где - ;-й принятый сжатый радиоимпульс,; = 0.....N — 1, К- количество принятых сжатых
радиоимпульсов в пачке; л = 0.....М — 1; М - количество отсчетов (элементов дальности) в принятом
сжатом радиоимпульсе, сформировать две модифицированные пачки.
Модифицированная пачка адаптирована для накопления принятых сжатых радиоимпульсов, отраженных от цели, которая успевает переместиться на один элемент разрешения по дальности за время, равное половине длительности пачки. Адаптация заключается в том, что половина сжатых радиоимпульсов в пачке сдвигается на один элемент разрешения по дальности, тем самым компенсируя перемещение цели.
Модифицированная пачка получается из исходной посредством разбиения на 2 подпачки, состоящих из С = [т] принятых сжатых радиоимпульсов. При этом, сжатые радиоимпульсы в модифицированной подпачке сдвинуты на 1 элемент дальности (отсчет). Чтобы компенсировать удаление цели за время 7]у в модифицированной пачке ,4 сдвиг осуществляется в сторону уменьшения дальности (рис. 1в)), в модифицированной пачке В сдвиг осуществляется в сторону увеличения дальности для компенсации приближения цели за время Тя (рис. 1а)).
Рис.1: Формирование двух модифицированных пачек из исходной: б) исходная пачка; а), в) модифицированные пачки, N - количество импульсов в пачке, М - количество элементов дальности в
импульсе
Формирование модифицированных пачек выполняется из исходной пачки (3) в соответствии с формулами:
(4)
(5)
где ; = 0,,,,, @ — 1 - количество импульсов в подпачке, « = О.....М — 1 - элементы дальности
(отсчеты) в принятом сжатом радиоимпульсе.
Суть алгоритма заключается в том, что по исходной пачке принятых сжатых радиоимпульсов по формулам (4, 5) формируются две модифицированные пачки.
Для каждой модифицированной пачки в результате ее КН определяется уровень амплитуды главного лепестка. При этом максимальный уровень амплитуды будет у модифицированной пачки, способ формирования которой наилучшим образом соответствует измеряемому в текущий момент значению радиальной скорости цели, т.к. одна модифицированная пачка построена исходя из предположения, что цель удаляется от РЛС (гу > 0), а другая, что цель приближается к РЛС (1?г < 0). В результате, сравнение амплитуд позволяет определить знак радиальной скорости цели, что дает возможность расширить диапазон однозначного измерения радиальной скорости цели в два раза.
Последовательность шагов выполнения алгоритма можно представить следующим образом:
1. На основе пачки принятых сжатых радиоимпульсов (3) формируются две модифицированные пачки А и В, сформированные по (4) и (5).
2. Для каждой модифицированной пачки А и В выполняется КН сжатых радиоимпульсов.
3. В каждой полученной после КН дальностно-скоростной матрице после пороговой обработки ищутся максимумы и запоминаются пары IIА = (С^1, Е.^) и Дв = ¡ Ц ,еР], где I - индекс найденного максимума, С Г и С? - амплитуды максимумов, Е.^1 и Е? - значения дальности найденных максимумов.
4. Из множества пар и Пв выделяются амплитуды СА и СЕ с одинаковой дальностью.
5. Определяется знак радиальной скорости цели: положительная (СА > СБ) или отрицательная (Сл < С5).
6. По исходной пачке ^ выполняется КН и для дальности, определенной на шаге 4 алгоритма вычисляется неоднозначное значение радиальной скорости цели у,?".
7. Выполняется уточнение значения -у,?" с учетом знака радиальной скорости, определенной на шаге 5.
Если знак радиальной скорости положительный, уточненное значение т^ рассчитывается по формуле (6). Если знак радиальной скорости отрицательный, уточненное значение 1?,?" рассчитывается по формуле (7).
л _ Г и™, у™ > 0
■-.■■._-. ■ (7)
•т '^^гтлх' "г ^ и
Предложенный алгоритм позволяет вычислять радиальные скорости целей, превышающие допустимый диапазон скоростей в два раза, но при этом требует дополнительной памяти для хранения двух модифицированных пачек принятых сжатых радиоимпульсов и увеличения количество операций для выполнения КН этих пачек.
2. Результаты применения алгоритма
Ниже представлены результаты измерения радиальной скорости, полученные с помощью
разработанной имитационной модели, в которой был реализован предложенный алгоритм расширения
диапазона однозначного измерения радиальной скорости цели. За основу взята модель [5].
А - - 1} }
Параметры имитируемых принятых радиоимпульсов и условия проведения вычислительных экспериментов одинаковые, за исключением абсолютной скорости имитируемой цели и траектории ее движения.
В эксперименте №1 цель перемещается по траектории, показанной на рис. 2 с абсолютной скоростью 700 м/с. На этом рисунке толстой линией показано перемещение цели за время накопления пачки. На рис. 3 показано как изменялась радиальная скорость цели за время эксперимента (сплошная линия) и измерения радиальной скорости без применения алгоритма (рис. 3 а) и с применением алгоритма (рис. 3 б). Видно, что диапазон однозначного измерения радиальной скорости увеличился в два раза.
В эксперименте №2 цель перемещается по траектории, показанной на рис. 4 с абсолютной скоростью 600 м/с. На этом рисунке толстой линией показано перемещение цели за время накопления пачки. На рис. 5 показано как изменялась радиальная скорость цели за время эксперимента (сплошная линия) и измерения радиальной скорости без применения алгоритма (рис. 5 а) и с применением алгоритма (рис. 5 б). Видно, что диапазон однозначного измерения радиальной скорости также как и в эксперименте №1 увеличился в два раза.
» - • • *
«О О ч» ЖМ МО «в
*м
Рис. 2: Траектория движения цели в эксперименте №1
О 100 200 ЭОО 400 ООО ООО 700 ПО
О 100 300 ЭОО 400 500 ООО 700 ЮО
1Ш
Рис. 3: Измерение радиальной скорости: а) без применения алгоритма; б) с применением алгоритма
Рис. 4: Траектория движения цели в эксперименте №2
Рис. 5: Измерение радиальной скорости: а) без применения алгоритма; б) с применением алгоритма
Заключение
В работе предложен алгоритм расширения интервала однозначного измерения радиальной скорости целей в два раза в импульсно-доплеровских РЛС с постоянным периодом повторения зондирующих импульсов.
Приведено описание и обоснование применения алгоритма в импульсно-доплеровских РЛС с достаточно большим временем накопления пачки. При проведении моделирования и получения вычислительных результатов использованы параметры современной РЛС [5].
Полученные результаты подтверждают, что применение алгоритма позволяет увеличить интервал однозначного измерения радиальной скорости в два раза.
Список литературы
[1] Проскурин В. И., Ягольников С. В., Шевчук В. И. Радиолокационное наблюдение. Методы, модели, алгоритмы. М.: Радиотехника, 2017. 368 с.
[2] Попов Д. И. Измерение радиальной скорости цели // Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника. 2015. №1. С. 53-59.
[3] Сколник М.И. (ред.) Справочник по радиолокации. Т.1. М.: Техносфера, 2015. 627 с.
[4] Richards M.A. Fundamentals of Radar Signal Processing. Second Edition. New York: McGraw-Hill Education, 2014. 618 p.
[5] Шустов Э. И., Новиков В. И., Щербинко А. В., Стучилин А. И. Радиолокационная станция кругового обзора «Резонанс». Патент № 2624736 C2 РФ, МПК G01S 13/00. № 2015152359.
[6] Маркович И. И. Цифровая обработка сигналов в системах и устройствах. Монография. Ростов на Дону: Издательство Южного федерального университета, 2012. 236 с.
[7] Николаев А.П., Кривоножко И.С., Собкина Н.Ю. Компенсация перемещения цели при длительном накоплении радиолокационных сигналов // Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей». 2018. №3. С.12-19.
[8] Василенко С.И., Кудряшов М.Ю., Прокофьев А.В. Обнаружение и измерение радиальной скорости гиперзвуковых целей в импульсно-доплеровских РЛС // Вестник ТвГУ. Серия: Прикладная математика. 2021. №4. С.1-1. https://doi.org/10.26456/vtpmk627
References
Proskurin V. I., Jagol'nikov S. V., Shevchuk V. I. Radiolokacionnoe nabljudenie. Metody, modeli, algoritmy [Radar observations. Methods. Models. Algorithms]. Radiotehnika, Moscow, 2017. 386 p. (in Russian)
Popov D. I. Measurement of target radial velocity. Izv. vuzov Rossii. Radiojelektronika [Journal of the Russian Universities. Radioelectronics], 2015, vyp. 1, pp. 53-59. (in Russian)
Spravochnik po radiolokacii / pod red. M.I. Skolnika; per. s angl.; pod obshhej red. V.S. Verby. v 2 kn. Kn.l. [Radar Handbook. Merrill I. Skolnik Editor in Chief. Third Edition]. Tehnosfera, Moscow, 2015. 627 p. (in Russian)
Mark A. Richards, Ph.D. Fundamentals of Radar Signal Processing, Second Edition, New York: McGraw-Hill Education, 2014. 618 p.
Shustov Je. I., Novikov V. I., Shherbinko A. V., Stuchilin A. I.; ZAO NIC "REZONANS"(RU). Radiolokacionnaja stancija krugovogo obzora «Rezonans» [Radar station circular view "Rezonance"]. Patent № 2624736 C2 RU, MPK G01S 13/00. №2015152359; Data of filing 08.12.2015; Date ofpubl. 06.07.2017, bull.№19. (in Russian)
Markovich I. I. Cifrovaja obrabotka signalov v sistemah i ustrojstvah: monografija [Digital signal processing in systems and devices]. Izdatel'stvo Juzhnogo federal'nogo universiteta, Rostov n/D, 2012. 236 p. (in Russian)
Nikolaev A.P., Krivonozhko I.S., Sobkina N.Ju. Target travel compensation on long-term accumulation of radar signals. Vestnik Koncerna VKO «Almaz - Antej» [Journal of "Almaz - Antey" Air and Space Defence Corporation], no. 3, 2018, pp. 12-19. (in Russian)
