Обнаружение и измерение координат движущихся наземных объектов в многопозиционной просветной радиолокационной системе

На правах рукописи

Смирнова Дарья Михайловна

Обнаружение и измерение координат движущихся наземных объектов в многопозиционной просветной радиолокационной системе

05.12.14 – Радиолокация и радионавигация

Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

Нижний Новгород – 2012

Работа выполнена в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Мякиньков Александр Валерьевич

Официальные оппоненты:

Ермолаев Виктор Тимофее0,вич, доктор технических наук, профессор, Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, профессор ка­федры бионики и статистической радиофизики

Хрусталев Андрей Алексеевич, кандидат технических наук, ФГУП «ФНПЦ Научно-исследовательский институт измерительных систем им. Ю.Е. Седакова», начальник отдела № 33500

Ведущая организация: ФНПЦ ОАО «Научно-производственное
предприятие «Полет», г. Нижний Новгород

Защита состоится 20 апреля 2012 г. в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.01 на базе Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева.

Автореферат разослан марта 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Назаров Андрей Викторович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время наблюдается повышенный интерес к радиолокационным системам (РЛС), использующим принцип рассеяния вперед (просветным РЛС). Такие системы обеспечивают эффективное обнаружение и сопровождение целей, движущихся в области действия просветного эффекта. Этот эффект заключается в резком (на 20–40 дБ) увеличении эффективной площади рассеяния целей при нахождении их в относительно узкой зоне между передающей и приемной позициями, разнесенными в пространстве на расстояние b, называемое базой системы.

В настоящее время значительный интерес вызывают РЛС, предназначенные для обнаружения малоразмерных объектов в условиях сильно пересеченной или лесистой местности. Такая задача возникает при создании охранных систем, систем наблюдения за боевыми действиями, антитеррористических систем.

Традиционно используемые моностатические РЛС для обнаружения движущихся объектов в таких условиях малоэффективны из-за большого количества мешающих отражений (лес, строения пересеченная местность) и низкой скорости перемещения обнаруживаемых объектов (людей). Применение нескольких таких РЛС нецелесообразно из-за их достаточно высокой сложности и стоимости. Кроме того, достаточно трудно обеспечить скрытность работы таких систем обнаружения, что является важным условием радиолокационного наблюдения.

Перспективным для описанных условий представляется построение систем радиолокационного наблюдения в виде просветной многопозиционной радиолокационной системы (МПРЛС).

Решение задач, связанных с исследованием и разработкой просветных МПРЛС обнаружения наземных целей, имеет важное научное значение и должно позволить использовать такие комплексы для решения задач обнаружения, определения местоположения и классификации движущихся наземных объектов в условиях воздействия пассивных помех от растительности. Этим и определяется актуальность темы диссертации.

Результаты данной диссертации получены автором в процессе выполнения научно-исследовательской работы, проводимой в Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева в рамках гранта Президента Российской Федерации № МК–7.2010.10 (договор № 02.120.11.7–МК от 28.06.2010), федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009–2013 годы» (Государственный контракт № П2147 от 05.11.2009), грантов РФФИ № 09-07-97009-р_поволжье_а (2009-2010гг) и № 11-07-97014-р_поволжье_а (2011-2012гг), а также в рамках работ по разработке просветных радиолокационных комплексов (РЛК) обнаружения движущихся объектов, проводимых в ОАО «ПКБ» на основании постановления Правительства Российской Федерации № 35-2 от 22 января 2003г. В диссертации использованы результаты натурных экспериментов, полученные в рамках договора о сотрудничестве между Нижегородским государственным техническим университетом и Бирмингемским университетом (Великобритания) при проведении экспериментов с действующим макетом просветной МПРЛС в 2008 году.

Цель работы

Целью работы является исследование способов построения многопозиционных просветных РЛС, алгоритмов пространственно-временной обработки сигналов и определения местоположения движущихся наземных целей в таких системах в условиях воздействия пассивных помех.

Состояние рассматриваемых вопросов

Наибольшие успехи в исследовании и разработке просветных бистатических РЛС относятся к наземным системам, предназначенным для обнаружения малоразмерных аэродинамических целей, движущихся на малых высотах на фоне отражений от земной поверхности. Такие системы могут играть важную роль при построении систем предотвращения вторжений в охраняемую зону, для обнаружения малоразмерных аэродинамических объектов (дельтапланов), беспилотных летательных аппаратов. Использование нескольких звеньев просветных радиолокационных ячеек позволяет построить эффективную систему обнаружения в труднодоступных районах, в горной местности, при охране морских границ, проливов и т.д. Серийный образец просветной бистатической РЛС «Барьер-Е» изготовлен в Нижегородском НИИ радиотехники. Данный комплекс обеспечивает надежное обнаружение и траекторное сопровождение малоразмерных низколетящих целей.

С другой стороны, вопросы радиолокационного обнаружения медленно движущихся наземных целей при воздействии интенсивных помех от растительности остаются малоисследованными. Главным ограничивающим фактором при создании таких систем является то, что диапазон доплеровских частот отраженного от цели сигнала полностью перекрывается спектром пассивной помехи. Таким образом, применение классической частотной селекции движущихся целей в системах такого класса не представляется возможным.

С другой стороны, в силу особенностей предполагаемого применения подобных систем, их размещение на местности должно быть по возможности скрытным. Поэтому компактные передающие и приемные позиции размещаются непосредственно на поверхности Земли. При этом имеет место проблема, заключающаяся в резком увеличении коэффициента затухания излучаемого колебания при увеличении частоты зондирующего сигнала. Поэтому приемлемые с точки зрения коэффициента затухания длины волн составляют величины порядка 0.7 м (диапазон 434 МГц) и более. Применение направленных антенн, обеспечивающих возможность измерения углового положения цели в указанном диапазоне, крайне затруднено из соображений скрытности. Использование же ненаправленных (например, штыревых) антенн при наличии одной приемной и одной передающей позиции лишает возможности измерения угловых координат целей, а также приводит к увеличению мощности пассивных помех, которые в этом случае принимаются со всех направлений.

В настоящее время все большее развитие в радиолокации получают так называемые MIMO (Multiple Input Multiple Output) системы. Под это определение попадают системы, имеющие многоканальные приемные и (или) передающие системы, в которых используется один из методов разделения сигналов в каналах, и производится совместная обработка этих сигналов. Применение принципов MIMO систем при построении многопозиционной просветной РЛС является перспективным, но малоизученным направлением. Применение такого подхода, как показано в диссертационной работе, обеспечивает существенное повышение эффективности системы и расширение ее функциональных возможностей.

Задачи работы

1. Обоснование структуры многопозиционной просветной РЛС обнаружения движущихся наземных объектов, состоящей из нескольких разнесенных в пространстве передающих позиций и одной многоканальной приемной позиции.

2. Разработка вариантов построения системы пространственно-временной обработки сигналов (ПВОС), обеспечивающей оптимальное накопление просветного сигнала при облучении цели квазигармоническим зондирующим сигналом, излучаемым несколькими передающими позициями.

3. Оценка характеристик обнаружения просветного сигнала, рассеянного медленно движущейся целью, при использовании взаимно-корреляционного алгоритма накопления, по сравнению с характеристиками обнаружения оптимального когерентного алгоритма и оптимального некогерентного алгоритма. Оценка эффективности взаимно-корреляционного алгоритма накопления в условиях воздействия нестационарной пассивной помехи от растительности.

4. Разработка методов измерения углового положения цели в многопозиционной просветной РЛС при использовании разреженной передающей антенной решетки, состоящей из нескольких передатчиков, работающих независимо.

5. Разработка методов определения координат целей в многопозиционной просветной РЛС. Оценка точности определения координат предложенными методами.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Использование многопозиционной просветной радиолокационной системы, состоящей из нескольких независимо работающих передающих позиций, излучающих непрерывные квазигармонические сигналы, и одной многоканальной приемной позиции, позволяет эффективно решать задачу обнаружения подвижных наземных объектов на фоне мешающих отражений от растительности.

2. Для обеспечения раздельного приема квазигармонических сигналов передатчиков, работающих в метровом диапазоне длин волн, можно использовать взаимное смещение частот этих сигналов на величину порядка нескольких килогерц при сохранении когерентности комплексных огибающих сигналов, отраженных от цели, на всем интервале времени нахождения движущейся цели в зоне обнаружения.

3. Для решения задачи обнаружения движущихся по произвольной траектории объектов на фоне нестационарных пассивных помех от растительности в многопозиционной просветной РЛС, имеющей структуру, описанную в пунктах 1 и 2, следует использовать взаимно-корреляционный алгоритм накопления просветных сигналов, принимаемых в разных пространственных каналах.

4. При наличии нескольких (трех и более) независимо работающих передающих позиций имеется возможность определения координат объектов по измерениям разностей дальностей от цели до передающих позиций фазовым методом при использовании алгоритма фазирования, основанного на передаче через выделенный канал связи цифровых отсчетов комплексной огибающей опорного сигнала передатчика.

5. В многопозиционной просветной РЛС, содержащей N независимо работающих передающих позиций и одну приемную позицию, при использовании на всех позициях ненаправленных антенн имеется возможность однозначного измерения координат целей на плоскости пеленгационным методом. Когерентная обработка сигналов обеспечивается применением алгоритма фазирования, а однозначность измерения угловой координаты – многочастотным режимом работы при оптимальных значениях частот излучения.

Методы исследования

Результаты работы получены с использованием статистической теории обработки сигналов, включая методы ПВОС, методов математического моделирования и натурных экспериментов.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены и достаточно подробно развиты следующие результаты.

1. Разработаны и исследованы алгоритмы ПВОС в многопозиционной просветной РЛС, состоящей из нескольких передающих и одной приемной позиции, позволяющие эффективно решать задачу обнаружения подвижных наземных объектов на фоне мешающих отражений от растительности при использовании непрерывного квазигармонического зондирующего сигнала и применении ненаправленных антенн на всех позициях системы, расположенных в непосредственной близости от поверхности Земли.

2. Исследован алгоритм определения координат движущихся наземных объектов, построенный на базе разностно-дальномерного метода, при котором возможность оценивания разностей дальностей от цели до передающих позиций по измерениям разностей фаз отраженных сигналов обеспечивается применением метода фазирования, основанного на передаче через выделенный канал связи цифровых отсчетов комплексной огибающей когерентного опорного сигнала передатчика.

3. Исследован алгоритм измерения угловых координат целей и определения координат целей на плоскости триангуляционным методом для применения в просветной РЛС, состоящей из N независимо работающих передатчиков, совокупность которых рассматривается как разреженная антенная решетка.

4. Исследован алгоритм фазирования пространственных каналов многопозиционной просветной РЛС, обеспечивающий на приемной стороне возможность совместной когерентной обработки сигналов из разных каналов, заключающейся в формировании узконаправленных свойств разреженной антенной решетки, образованной передающими позициями.

5. Исследована возможность подавления побочных максимумов характеристики направленности передающей разреженной антенной решетки, состоящей из N независимо работающих передатчиков, за счет использования многочастотного режима работы. Разработан и исследован метод оптимизации набора частот излучения передатчиков, обеспечивающий минимизацию уровня побочных максимумов.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

1. Обоснован вариант построения многопозиционной просветной РЛС, позволяющей эффективно решать задачу обнаружения и измерения координат подвижных наземных объектов в условиях воздействия мешающих отражений от растительности;

2. Разработаны алгоритмы ПВОС и алгоритмы измерения координат объектов, включая новый метод фазирования пространственных каналов многопозиционной просветной РЛС;

3. Разработана программная реализация математической модели многопозиционной просветной РЛС, с помощью которой получены статистические оценки основных характеристик работы системы;

4. Разработанные алгоритмы и программное обеспечение использованы при создании действующего макета многопозиционной просветной РЛС, а также при последующей обработке записей реализаций сигналов и помех, полученных во время проведения натурных экспериментов с макетом.

5. Разработанные алгоритмы и программное обеспечение использованы при создании макета наземно-космического бистатического РЛК с передающим устройством, размещенным на борту спутника при проведении экспериментов по реальным космическим объектам.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается:

соответствием полученных результатов известным, найденными другими авторами;

результатами математического моделирования;

результатами натурных испытаний.

Публикации и апробация работы

По теме диссертации автором опубликовано 14 работ: 3 статьи в рецензируемых изданиях [1–3]; патент на изобретение [4]; свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ [5]; отчет о НИР [6]; 4 тезиса докладов и 4 статьи в сборниках трудов научных конференций [7–14].

Личный вклад автора

1. Исследовал возможность решения задачи обнаружения малоподвижных наземных объектов на фоне интенсивных помех от растительности за счет декорреляции помехи в пространственных каналах многопозиционной просветной РЛС с несколькими разнесенными в пространстве передающими позициями.

2. Исследовал взаимно-корреляционные свойства сигналов и помех в пространственных каналах многопозиционной просветной РЛС с несколькими передающими позициями.

3. Совместно с руководителем разработал алгоритмы ПВОС и измерения координат целей в многопозиционной просветной РЛС.

4. Разработал программную реализацию алгоритмов обнаружения и определения координат целей для многопозиционной просветной РЛС, исследовал методом математического моделирования характеристики алгоритмов обнаружения и измерения координат целей.

5. Участвовал в разработке программного обеспечения макета многопозиционной просветной РЛС, использовавшегося при проведении натурных экспериментов, проводил обработку и анализ полученных экспериментальных данных.

6. Участвовал в разработке программного обеспечения макета наземно-космического бистатического РЛК с передающим устройством, размещенным на борту спутника.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, семи разделов и заключения. Объем диссертации составляет 159 страниц. Список использованных источников содержит 73 наименования.

Краткое содержание работы

Во введении обсуждается актуальность темы диссертации, состояние рассматриваемых вопросов, новизна и практическая ценность полученных результатов. Сформулирована цель работы и изложены основные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первом разделе рассмотрена бистатическая просветная РЛС с ненаправленными антеннами и квазигармоническим зондирующим сигналом как ячейка многопозиционной системы. Приведены структурная схема приемной позиции, математические модели сигналов и помех.

Сигнал доплеровской частоты получается после амплитудного детектирования интерференционного сигнала на входе приемника, представляющего собой сумму прямого сигнала передатчика и рассеянного целью сигнала. Это объясняется тем, что при наличии мощного прямого сигнала передатчика амплитудный детектор (АД) работает в режиме синхронного детектирования просветного сигнала. Режекторный фильтр подавляет постоянную составляющую на выходе АД, обусловленную наличием прямого сигнала.

Описаны математические модели отраженного от цели сигнала и пассивной помехи в просветной РЛС с непрерывным зондирующим сигналом. Проанализирована зависимость характеристик отраженного сигнала от параметров движения цели. Приведены графики доплеровских сигналов и соответствующих амплитудных спектров для двух типов целей (человек и автомобиль).

В рассматриваемой системе обнаружение отраженного от цели сигнала происходит на фоне собственного шума приемника и пассивных помех, причем наибольшее значение имеют помехи, обусловленные отражениями от растительности. Приведена функциональная схема, которая использовалась для моделирования пассивной помехи и собственного шума приемника. Параметры формирующего фильтра выбирались исходя из экспериментальных данных, полученных путем измерений спектральных свойств помехи при помощи макета многопозиционной просветной РЛС.

Во втором разделе приводится сравнительный анализ алгоритмов обнаружения сигнала в МПРЛС: оптимального когерентного, некогерентного и корреляционного. Рассмотрены особенности применения перечисленных алгоритмов для обнаружения малоразмерных медленно движущихся целей на фоне помех от растительности.

Характеристики отраженного от цели сигнала в значительной степени зависят от особенностей движения цели. При движении цели по прямолинейной траектории с постоянной скоростью закон изменения частоты доплеровского сигнала близок к линейному, поэтому схема оптимальной когерентной обработки должна содержать режекторный фильтр для подавления спектральных компонент пассивной помехи в непосредственной близости от нулевой частоты и согласованный фильтр (СФ) для ЛЧМ сигнала. Поскольку параметры ЛЧМ сигнала зависят от траектории цели, то оптимальная когерентная обработка должна быть многоканальной по параметрам движения цели. Реализация оптимального когерентного алгоритма требует достаточно большой вычислительной мощности. Кроме того, этот алгоритм неэффективен при движении цели по нелинейным траекториям и с непостоянной скоростью.

Одним из возможных путей решения проблем когерентного многоканального накопления является использование некогерентного алгоритма обработки сигналов. Квазиоптимальная некогерентная обработка заключается в выделении полосы частот, в которой находится спектр доплеровского сигнала, амплитудном детектировании и последующем последетекторном накоплении. Такая обработка также должна быть многоканальной по скорости цели и по длительности сигнала. Основным недостатком это алгоритма накопления является высокий уровень ложных тревог, которые возникают при нестационарном характере пассивной помехи. Так, резкий порыв ветра приводит к значительному кратковременному увеличению мощности помехи и превышению порога обнаружения. При этом уровень ложных тревог не удается снизить путем повышения порога обнаружения при сохранении значимой вероятности правильного обнаружения.

В таких условиях для борьбы с пассивными помехами необходимо использовать два или более каналов приема, в которых помеха будет декоррелирована. Декорреляция пассивной помехи может быть обеспечена, например, при пространственном разнесении передающих позиций многопозиционной просветной РЛС. При этом используется многоканальная приемная позиция, каналы приема которой, соответствующие разным передатчикам, будем называть пространственными каналами.

Чтобы разделить пространственные каналы на приемной позиции, передающие позиции должны быть разнесены по частоте. При работе в диапазонах частот 64 МГц и 151 МГц разность частот сигналов в соседних пространственных каналах составляет несколько килогерц. При этом доплеровские сигналы в этих каналах остаются когерентными на всем интервале наблюдения целей. Это подтверждается результатами математического моделирования и натурного эксперимента. Таким образом, коэффициент взаимной корреляции доплеровских сигналов в каналах близок к единице.

В МПРЛС, содержащей две или более пространственно разнесенные передающие позиции, в условиях воздействия нестационарных пассивных помех целесообразно использовать корреляционный алгоритм обнаружения. Этот алгоритм заключается в вычислении коэффициента взаимной корреляции процессов из двух разных пространственных каналов и сравнении его с порогом. При практической реализации алгоритма происходит вычисление нормированной корреляционной функции реализаций процессов, взятых на заданном временном интервале.

Методом математического моделирования были построены характеристики обнаружения рассмотренных алгоритмов для случая приема просветного сигнала на фоне стационарного гауссовского шума с полосой 1 Гц. Из рассмотрения кривых обнаружения, приведенных на рисунке 1, видно, что с точки зрения эффективности обнаружения на фоне стационарного гауссовского шума корреляционный алгоритм (кривая 2) занимает промежуточное положение между оптимальным когерентным (кривая 1) и некогерентным (кривая 3) алгоритмами накопления. Кривая 4 соответствует алгоритму обнаружения без накопления.

Рисунок 1 – Характеристики обнаружения

На основании полученных результатов были сделаны следующие выводы. Основное преимущество корреляционного алгоритма накопления – это сохранение эффективности даже при нестационарной помехе, в то время как использование некогерентного накопления в этих условиях приводит к резкому увеличению уровня ложных тревог. Показано, что при наличии цели в зоне обнаружения наблюдается выраженный максимум ВКФ, а при отсутствии цели и нестационарности пассивной помехи ВКФ не имеет максимума.

Третий раздел посвящен разработке и исследованию алгоритма обнаружения факта пересечения целью линии базы. При отсутствии когерентных связей между передающими позициями и отсутствии на приемной стороне информации о фазовых соотношениях между сигналами передатчиков задача измерения координат целей не может быть решена в системе, где используются ненаправленные антенны и непрерывный квазигармонический зондирующий сигнал. Однако в ряде случаев оказывается достаточным различить цели, пересекающие линии базы системы, от целей, движущихся за пределами зоны ответственности, но формирующих в точке приема отраженный сигнал достаточной высокой интенсивности. Такими целями могут быть, в частности, крупногабаритные транспортные средства.

Были исследованы фазовые соотношения сигналов в соседних пространственных каналах и выявлены закономерности, при использовании которых можно обнаружить пересечение целью линии базы. Разность фаз сигналов в пространственных каналах зависит от траектории цели и расстояния между передающими позициями.

Приводится функциональная схема двухканального обнаружителя и результаты моделирования алгоритма обнаружения пересечения линии базы. При этом использовались математические модели сигнала и помехи. Результаты экспериментального исследования предложенного алгоритма при помощи макета приведены в седьмом разделе.

В четвертом разделе рассматривается разностно-дальномерный метод измерения координат целей в многопозиционной просветной РЛС, содержащей три разнесенных в пространстве передающих позиций и одну многоканальную приемную позицию. Разность дальностей от цели до передающих позиций находится из разностей фаз сигналов в соседних пространственных каналах.

Для осуществления совместной обработки сигналов на приемной позиции необходимо обеспечить выделение комплексных огибающих (КО) просветного сигнала, причем КО в разных пространственных каналах должны быть когерентны. Эта задача связана с решением двух основных проблем. Во-первых, при использовании стандартных дешевых передающих модулей уровень фазовых шумов передатчика в точке расположения приемной позиции может оказаться выше, чем уровень просветного сигнала. Во-вторых, начальные фазы передатчиков случайны и не связаны между собой.

Для компенсации фазовых шумов передатчиков на приемную позицию через выделенный цифровой канал связи передается когерентный опорный сигнал в виде дискретных отсчетов КО сигнала передатчика, которые могут быть получены на передающей стороне за счет применения высокостабильного кварцевого генератора. Поскольку фазовый шум передатчика является узкополосным процессом с полосой порядка десятков герц, то для передачи отсчетов опорного сигнала могут быть использованы недорогие стандартные цифровые модемы со скоростью передачи данных 5 Кбит/с. Для обеспечения когерентности КО в пространственных каналах вводятся специальные корректирующие фазовые множители, которые определяются из разности фаз принятых прямых сигналов передатчиков. В диссертации приводится общая структурная схема приемной позиции и структурная схема алгоритма совместной ПВОС.

Если передающие позиции расположены в углах треугольника ABC, стороны которого d1=AB, d2=AC, d3=BC, а углы при вершинах равны A, B, C, то оценки координат целей по измерениям трех разностей дальностей , , находятся из выражений:

	(1)
	(2)

где константы , , , , , , , определяются из геометрии МПРЛС.

Работа алгоритма определения координат исследовалась с помощью математического моделирования. Были получены количественные оценки точности измерения координат x и y цели. Показано, что ошибки определения координат увеличиваются с удалением цели от линии базы. При этом ошибки определения координаты, откладываемой вдоль линии базы, значительно больше, чем ошибки определения координаты, откладываемой в поперечном направлении. Оптимальным с точки зрения минимизации ошибок определения координат является размещение передающих позиций в вершинах равностороннего треугольника.

В пятом разделе рассматривается МПРЛС, состоящая из M независимо работающих передающих позиций, расположенных эквидистантно на одной прямой линии, и одной многоканальной приемной позиции. На всех позициях используются ненаправленные антенны. Совокупность передающих позиций рассматривается как линейная антенная решетка (АР).

Показано, что в такой системе имеется возможность измерения направления на цель при условии формирования направленных свойств передающей решетки. При наличии двух групп из M передающих позиций имеется возможность измерения координат цели на плоскости пеленгационным методом. При этом точность измерения угловых, а, значит, и декартовых, координат определяется размером апертуры решетки.

Для получения узкой диаграммы направленности (ДН) нужно увеличивать расстояние между передающими позициями (шаг решетки). Если шаг решетки составляет больше половины длины волны, решетка является разреженной. Это приводит к появлению периодически повторяющихся побочных максимумов ДН.

Для уменьшения уровня повторяющихся максимумов и однозначного измерения угловой координаты цели, предложена многочастотная МПРЛС. При этом каждый передающий элемент излучает N сигналов с частотами f1 … fN. Значения частот выбираются таким образом, чтобы побочные лепестки ДН, сформированной для каждой из частот, не перекрывались. Кроме того, для разделения сигналов разных передатчиков на приемной стороне, каждый из N сигналов излучается каждым из передатчиков со смещением по частоте на величину f (2.5 кГц) относительно соседних передатчиков. Таким образом, можно сказать, что передающие позиции излучают сигналы в N диапазонах, существенно различных по частоте (до двух раз), внутри которых имеется M квазиортогональных сигналов, обрабатываемых раздельно на приемной стороне. Амплитудный спектр суммы всех излучаемых в системе сигналов показан на рисунке 2.

Для обеспечения когерентной обработки сигналов из разных пространственных каналов используются описываемые в четвертом и шестом разделах алгоритмы фазирования.

На вход системы совместной ПВОС с выходов пространственных каналов поступают дискретные отсчеты КО отраженного от цели сигнала

(3)

где Un,m(k) – амплитуда отраженного от цели сигнала; m – номер передающей позиции (частотного поддиапазона); n – номер частотного диапазона; – разность фаз, обусловленная разностью хода сигналов, излучаемых первой и m-й передающими позициями МПРЛС и отраженных от цели в момент времени k (d – расстояние между соседними передающими позициями; длина волны излучения m-го передатчика в n-м частотном диапазоне; азимутальное направление прихода отраженного от цели сигнала); – фазовый сдвиг сигнала для n-ой несущей частоты m-го передатчика, обусловленный допплеровским смещением частоты.

Рисунок 2 – Иллюстрация спектра зондирующего сигнала

Формирование L лучей ДН многочастотной АР происходит путем суммирования сигналов пространственных каналов, взвешенных комплексными коэффициентами, вычисленными из условия формирования максимумов лучей ДН в заданном направлении:

(4)

где значение КО l-й ДН в k-й момент времени; M – число передающих позиций; N – число частотных диапазонов; направление главного лепестка l-той ДН. Использование весового окна w[m] позволяет уменьшить уровень боковых лепестков ДН и не влияет на уровень побочных максимумов ДН.

Рассматривается алгоритм автоматического выбора оптимальных значений длин волн 1, 2,…,N, при которых обеспечивается минимальный уровень побочных максимумов. Показано, что предложенный алгоритм обеспечивает уменьшение уровня побочных лепестков по сравнению с равномерным шагом распределения длин волн в среднем на 5–7 дБ.

Таким образом, предложенный алгоритм ПВОС позволяет сформировать узкие парциальные лучи ДН разреженной многочастотной передающей АР и измерить направление на цель относительно нормали к этой АР моноимпульсным методом. При этом вся обработка сигналов происходит на стороне многоканальной приемной позиции.

Работа алгоритма определения координат исследовалась методом математического моделирования. На рисунке 3 показан пример построенной траектории движения цели. Получены количественные оценки точности измерения координат цели в зависимости от угловой координаты

В шестом разделе рассмотрен алгоритм фазирования многопозиционной просветной РЛС, передающие позиции которой расположены произвольным, в том числе случайным образом. Показано, что если передающие позиции располагаются в некоторой окрестности прямой линии, то физической передающей АР, образованной этими передатчиками, можно поставить в соответствие линейную неэквидистантную виртуальную АР, элементы которой расположены на упомянутой прямой линии.

Рисунок 3 – Траектория цели

Для формирования направленных свойств виртуальной передающей решетки используется алгоритм ПВОС, описанный в предыдущем разделе. Однако для перехода к обработке сигналов виртуальной решетки необходимо использовать алгоритм фазирования, заключающийся в вычислении оптимальных комплексных весовых коэффициентов для каждого передатчика. Весовые коэффициенты имеют следующий вид:

	(5)
	(6)

где – корректирующий фазовый множитель, учитывающий разность фаз между физической и виртуальной передающей позициями; – оптимальные весовые коэффициенты для элементов виртуальной решетки; di – расстояние от элемента виртуальной решетки, имеющего номер i, до элемента с номером i–1, m – длина волны излучения m-ной передающей позиции. Эти коэффициенты вводятся в алгоритм ПВОС на приемной стороне.

Показано, что при формировании L лучей виртуальной АР необходимо найти L векторов оптимальных весовых коэффициентов . Таким образом, вычисляется матрица весовых коэффициентов размером M L, которая имеет вид:

(7)

В седьмом разделе приведены результаты натурных экспериментов с МПРЛС обнаружения наземных целей. Приведена структура используемого макета МПРЛС, структурные схемы передающей и приемной позиций. Показана функциональная схема алгоритма работы системы ЦОС.

Приведены результаты эксперимента по обнаружению цели при помощи квази-оптимального некогерентного алгоритма, эксперимента по обнаружению факта пересечения целью линии базы. Приведены результаты экспериментов по оценке эффективности корреляционного алгоритма обнаружения. Приведенные результаты подтверждают высказанные теоретические положения относительно корреляционных свойств сигналов и помех в пространственных каналах системы, а также эффективность корреляционного алгоритма обнаружения.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Основные публикации по теме диссертации

Публикации в рецензируемых изданиях

1 Мякиньков А.В., Смирнова Д.М. Обнаружение наземных целей в многопозиционной просветной радиолокационной системе // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2010. Вып. 5. С. 47–55.

2 Смирнова Д.М. Определение координат наземных целей в многопозиционной просветной радиолокационной системе // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2011. Вып. 5. С. 72–78.

3 Мякиньков А.В., Бураков С.В., Смирнова Д.М. Алгоритм фазирования многопозиционной радиолокационной системы со случайным расположением передающих позиций // Труды НГТУ. 2012. № 1(92). С. 11–19.

Патенты, свидетельства об государственной регистрации программ для ЭВМ

4 Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ РФ № 2010616604. Модель системы траекторного сопровождения целей для наземно-космической бистатической "просветной" радиолокационной системы / А.В. Мякиньков, Д.М. Смирнова; заявитель и патентообладатель НГТУ – № 2010614900; заявл. 10.08.2010; зарегистр. 04.10.2010.

5 Патент RU МПК G01S13/06 / А.В. Мякиньков, Д.М. Смирнова Устройство для определения координат движущихся целей; заявитель и патентообладатель НГТУ – № 2010131796 от 28.07.2010; положительное решение от 15.09.2011.

Отчеты о НИР

6 Создание "просветных" радиолокационных комплексов космического базирования: Отчет о НИР (заключ.)/ НГТУ; рук. А.Г. Рындык; Кузин А.А., Огурцов А.Г., Сидоров С.Б., Кочубейник И.В., Кашин В.А., Смирнова Д.М., Ястребов С.В., Тупиков П.А., Глазунов С.В. Н. Новгород, 2010. 172 с. Библиогр.: C. 146–148. № ГР 01200907513. Инв. № 0220.1 100293.

Публикации в других изданиях

7 Смирнова Д.М. Алгоритмы обработки сигналов в многопозиционной радиолокационной системе обнаружения наземных объектов // Тезисы докладов XIV Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки). Н.Новгород: «Издательский салон» ИП Гладкова О.В., 2009. С. 27–28;

8 Смирнова Д.М. Обработка сигналов в многопозиционной радиолокационной системе обнаружения наземных объектов // Материалы докладов XV Международной научно-технической конференции "Информационные системы и технологии" (ИСТ–2009). Н.Новгород: НГТУ, 2009. С. 15–16;

9 Мякиньков А.В., Смирнова Д.М. Обнаружение наземных целей в многопозиционной MIMO радиолокационной системе с обнаружением "на просвет" // Тезисы докладов VIII Международной молодежной научно-технической конференции "Будущее технической науки" (дополнительные материалы). Н. Новгород: НГТУ, 2009. С. 5.

10 Мякиньков А.В., Смирнова Д.М. Определение координат наземных целей в многопозиционной радиолокационной системе с обнаружением "на просвет" // Сборник докладов 16-ой международной научно-технической конференции "Радиолокация, навигация, связь" (RLNC–2010). Воронеж: ИПЦ ВГУ, 2010. Т. 3. С. 1729–1736.

11 Мякиньков А.В., Смирнова Д.М. Сопровождение наземных целей в многопозиционной просветной MIMO радиолокационной системе // Материалы докладов XVI Международной научно-технической конференции "Информационные системы и технологии" (ИСТ–2010). Н.Новгород: НГТУ, 2010. С. 41–42.

12 Myakinkov A.V., Smirnova D.M. Measurement of coordinates of the targets placed behind of radio-transparent barrier with multi-static ultra-wide band radar // Proceedings of V International Conference on Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals. Харьков: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2010. С. 147–149.

13 Myakinkov A.V., Smirnova D.M. Detection and coordinate measurement of targets by ultra-wide band radar with antenna array // Proceedings of V International Conference on Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals. Харьков: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2010. С. 150–152.

14 Myakinkov A.V., Smirnova D.M. The Determinations of Coordinates of Ground Targets in Multistatic Forward-Scattering Radar // Proceedings of International Conference EuMW201. London: Horizon House Publications Ltd, 16 Sussex Street, SW1V 4RW, UK. P. 150–153.