RU2710837C1 - Method of increasing resolution of radar ultra-wideband probing - Google Patents

Method of increasing resolution of radar ultra-wideband probing Download PDF

Info

Publication number
RU2710837C1
RU2710837C1 RU2019127454A RU2019127454A RU2710837C1 RU 2710837 C1 RU2710837 C1 RU 2710837C1 RU 2019127454 A RU2019127454 A RU 2019127454A RU 2019127454 A RU2019127454 A RU 2019127454A RU 2710837 C1 RU2710837 C1 RU 2710837C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
probing
signals
radar
lobe
Prior art date
Application number
RU2019127454A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Васильевич Захаров
Original Assignee
Михаил Васильевич Захаров
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Михаил Васильевич Захаров filed Critical Михаил Васильевич Захаров
Priority to RU2019127454A priority Critical patent/RU2710837C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2710837C1 publication Critical patent/RU2710837C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/0209—Systems with very large relative bandwidth, i.e. larger than 10 %, e.g. baseband, pulse, carrier-free, ultrawideband
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/04—Systems determining presence of a target
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/08—Systems for measuring distance only
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/46—Indirect determination of position data
    • G01S13/48—Indirect determination of position data using multiple beams at emission or reception
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/28—Details of pulse systems
    • G01S7/285—Receivers
    • G01S7/292—Extracting wanted echo-signals
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
    • G01S7/28—Details of pulse systems
    • G01S7/285—Receivers
    • G01S7/292—Extracting wanted echo-signals
    • G01S7/2923—Extracting wanted echo-signals based on data belonging to a number of consecutive radar periods
    • G01S7/2926—Extracting wanted echo-signals based on data belonging to a number of consecutive radar periods by integration

Abstract

FIELD: radar ranging.SUBSTANCE: invention relates to radar probing using single ultra-wideband (UWB) signals and can be used in probing several nearby objects, for example, a group aerial target of several aircraft. Method comprises emitting an N-petal probing radio pulse, receiving a reflected signal in a selected time window, processing it in K parallel channels, where K/N = 2, 3, 4, ..., in each of the K channels, the received reflected signal is multiplied by a signal identical to the probing N-petaled radio pulse, delayed in each channel in time relative to the previous one by the channel number by the value T/(K-1), where T is the duration of the N-petal probing radio pulse, the result obtained in each of the K parallel channels is a single integration result, displaying the obtained result for display on an indicator, based on the observation results of several bright marks on the indicator, a conclusion is made on the detection of the group air target and the number of targets in the group is estimated.EFFECT: high resolution of radar UWB probing nearby objects and high efficiency of obtaining results.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области радиолокационного зондирования с использованием сверхширокополосных (СШП) сигналов длительностью ф и может быть использовано при зондировании нескольких объектов, расстояние между которыми L сопоставимо с сф, где с - скорость света, т.е. в условиях, когда сигналы, отраженные от нескольких объектов исследования, накладываются друг на друга. Такая проблема возникает, например, при радиолокационном зондирования с использованием одиночных СШП импульсных сигналов в интересах обнаружения и распознавания групповой воздушной цели.The invention relates to the field of radar sensing using ultra-wideband (UWB) signals of duration f and can be used for sensing several objects whose distance L is comparable to cf, where c is the speed of light, i.e. in conditions when the signals reflected from several objects of study overlap each other. Such a problem arises, for example, in radar sensing using single UWB pulsed signals in the interest of detecting and recognizing a group of airborne targets.

Применение обычной узкополосной радиолокационной станции (РЛС) не позволяет достичь требуемой разрешающей способности. Пусть узкополосная РЛС излучает в направлении нахождения распознаваемых объектов зондирующий радиосигнал длительностью ф = 1 мкс. Этой длительности соответствует радиальная (дальностная) разрешающая способность дR = сф = 300 м. Цели в плотной группе, расстояние между которыми будет составлять менее 300 метров, будут восприниматься в виде единственной отметки на индикаторе РЛС. Оперативное получение информации о составе обнаруженной цели позволит своевременно назначить более высокий приоритет ее уничтожения, в соответствии со степенью вскрытой угрозы для защищаемого объекта. В этой связи для достижения своевременного вскрытия состава обнаруженной воздушной цели необходимо использовать более сложные зондирующие радиосигналы, широкобазовые сигналы с внутриимпульсной модуляцией и даже СШП сигналы.The use of conventional narrow-band radar (radar) does not allow to achieve the required resolution. Let a narrow-band radar radiate in the direction of finding recognizable objects a probing radio signal with a duration of f = 1 μs. This duration corresponds to a radial (range) resolution dR = cf = 300 m. Targets in a dense group, the distance between which will be less than 300 meters, will be perceived as a single mark on the radar indicator. The prompt receipt of information on the composition of the detected target will allow timely assigning a higher priority to its destruction, in accordance with the degree of the threat to the protected object. In this regard, in order to achieve timely opening of the detected air target, it is necessary to use more complex sounding radio signals, wide-base signals with intrapulse modulation, and even UWB signals.

Под СШП будем понимать импульсные радиосигналы, ширина полосы частот Дf которых сопоставима со средней частотой их спектра fср: Дf ~ fср. Для оценки степени широкополосности используют понятие показателя широкополосности сигнала з0 (иногда обозначают буквой µ): з0 = Дf / fср. By UWB we mean pulsed radio signals whose frequency bandwidth Df is comparable with the average frequency of their spectrum f cf : Df ~ f cf. To assess the degree of broadband, use the concept of a signal broadband indicator z 0 (sometimes denoted by the letter µ): z 0 = Дf / f cf.

Применительно к радиолокации это определение необходимо дополнить, учитывая, что используемые в РЛС сверхширокополосные радиосигналы, как правило, представляют собой сверхкороткие радиоимпульсы, и дать физически более обоснованное определение: радиосигнал, ширина полосы частот которого сопоставима со средней частотой его спектра считаем сверхширокополосным, если его пространственная длительность сф много меньше размера излучающей (приёмной) апертуры антенны или отражающего объекта (цели) L.With regard to radar, this definition must be supplemented, given that the ultra-wideband radio signals used in radars are usually ultrashort radio pulses, and a physically more reasonable definition should be given: a radio signal whose frequency bandwidth is comparable to the average frequency of its spectrum is considered ultra-wideband if its spatial the duration of the SF is much less than the size of the radiating (receiving) aperture of the antenna or reflecting object (target) L.

Сверхширокополосная радиолокация позволяет надеяться на достижение таких преимуществ, как высокая точность измерения дальности до цели, высокая радиальная (дальностная) разрешающая способность, возможности по распознаванию типа цели и т. д. Ultra-wideband radar allows us to hope to achieve such advantages as high accuracy of measuring the range to the target, high radial (range) resolution, the ability to recognize the type of target, etc.

Известен способ повышения разрешающей способности радиолокационного зондирования [1, С.134-140, рис.5.16], заключающийся в том, что излучают N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, непрерывно принимают отраженный сигнал в выбранном временном окне, обнаруживают и оценивают сигналы от объектов исследования. Для решения задачи повышения разрешающей способности путем улучшения формы наблюдаемых импульсов за счет уменьшения уровня временнымх боковых лепестков – использовались двойные перепады напряжений с регулировкой амплитуды, длительности и относительного временномго положения перепадов напряжения, что позволило снизить уровень временнымх боковых лепестков результирующего выходного сигнала.There is a method of increasing the resolution of radar sensing [1, C.134-140, Fig.5.16], which consists in emitting an N-lobe probing radio pulse, continuously receiving a reflected signal in a selected time window, detecting and evaluating signals from objects of study. To solve the problem of increasing the resolution by improving the shape of the observed pulses by reducing the level of time side lobes, we used double voltage drops with adjustable amplitude, duration and relative time position of the voltage drops, which allowed us to reduce the level of time side lobes of the resulting output signal.

Недостатком такого способа является сложность реализации вследствие необходимости разработки специального программного обеспечения управления измерениями, рассчитанного на экспериментаторов.The disadvantage of this method is the difficulty of implementation due to the need to develop special measurement management software designed for experimenters.

Перед описанием прототипа и его критикой необходимо сделать некоторые пояснения.Before describing the prototype and its criticism, some clarification is necessary.

Достижение указанных выше преимуществ СШП сигналов возможно только путем полного извлечения сверхценной некоординатной информации о зондируемом объекте, а для этого нужна адекватная обработка принимаемого сигнала, соответствующая зондирующему сигналу.Achieving the above advantages of UWB signals is possible only by completely extracting super-valuable non-coordinate information about the sensed object, and this requires adequate processing of the received signal corresponding to the probing signal.

Обратимся к фиг.1 [1, рис.1.1, С.10]. Для наглядности на фиг.1 по сравнению с [1, рис.1.1] поменяны местами рисунки б) и в) в соответствии с нарастанием показателя широкополосности сигнала з0. Из фиг. 1 усматривается, что только к 6-ти лепестковому сигналу а) еще можно достаточно корректно применить понятия «огибающая» (штриховые линии), а также «частота» и «фаза», соответствующие описанию узкополосных сигналов гармоническими функциями. По мере уменьшения количества лепестков до трех (рис.б) и тем более двух (рис.в) – самого сверхширокополосного из физически реализуемых сигналов – сигнал уже адекватно не описывается привычными категориями спектрального анализа, базирующегося на взаимообразных Фурье-преобразованиях.Refer to figure 1 [1, Fig.1.1, C.10]. For clarity, in Fig. 1, in comparison with [1, Fig. 1.1], figures b) and c) are interchanged in accordance with the increase in the broadband index of the signal s 0 . From FIG. 1, it is seen that only the 6-lobe signal a) can still be correctly applied to the concepts of “envelope” (dashed lines), as well as “frequency” and “phase”, corresponding to the description of narrow-band signals by harmonic functions. As the number of lobes decreases to three (Fig. B) and especially two (Fig. C) - the most ultra-wideband of physically feasible signals - the signal is no longer adequately described by the usual categories of spectral analysis based on interchangeable Fourier transforms.

В этой связи с точки зрения практической реализации в качестве зондирующих сигналов в РЛС, работающих на дальностях в несколько сотен километров, интерес представляют N-лепестковые радиоимпульсы. С одной стороны, их характеристики уже обеспечивают получение сверхразрешения по дальности, при условии обеспечения их адекватной обработки, а с другой – для их формирования могут быть применены традиционные мощные приборы СВЧ. N-лепестковые радиоимпульсы, строго говоря, уже не являются узкополосными сигналами, но все еще могут описываться модификациями Фурье-преобразований – преобразованиями Гильберта [1, С.18], для них можно без существенной потери общности использовать классические виды обработки узкополосных сигналов. In this regard, from the point of view of practical implementation, N-lobe radio pulses are of interest as probing signals in radars operating at ranges of several hundred kilometers. On the one hand, their characteristics already provide superresolution in range, provided that they are adequately processed, and on the other hand, traditional powerful microwave devices can be used to form them. Strictly speaking, N-lobed radio pulses are no longer narrow-band signals, but can still be described by Fourier transforms — Hilbert transforms [1, P.18]; for them, classical forms of narrow-band signal processing can be used without significant loss of generality.

Другое замечание. При СШП радиолокационном зондировании нескольких близкорасположенных объектов (например, воздушных целей в группе) возникает проблема разрешения сигналов, принятых от одного и другого объектов. Если несколько перекрывающихся сдвинутых СШП сигналов воздействует на оптимальный фильтр, каждый из них в силу применимости принципа суперпозиции к линейным системам сжимается независимо, т.е. имеется возможность разрешения сигналов от целей, импульсы которых перекрываются [2, С.132]. И наоборот, любая нелинейная обработка породит неконтролируемое количество интермодуляционных составляющих в спектре сигнала, исключающее раздельное наблюдение отдельных целей из состава группы.Another point. With UWB radar sensing of several nearby objects (for example, air targets in a group), the problem of resolving signals received from one and the other objects arises. If several overlapping shifted UWB signals affect the optimal filter, each of them, due to the applicability of the superposition principle to linear systems, is compressed independently, i.e. it is possible to resolve signals from targets whose pulses overlap [2, C.132]. And vice versa, any non-linear processing will give rise to an uncontrolled amount of intermodulation components in the signal spectrum, which excludes separate observation of individual targets from the group.

Третье замечание. В спектре любого, в том числе одиночного многолепесткового радиолокационного СШП сигнала, как излучаемого, так и принимаемого антенной, заведомо нет составляющих на нулевой частоте (интеграл от функции, описывающей сигнал, по времени существования сигнала всегда равен нулю) [1, формула 1.4, С.10]. Интегрирование, как линейная операция над сигналом, не приводит к возникновению новых составляющих в спектре, в т. ч. и составляющих на нулевой частоте.Third remark. In the spectrum of any signal, including a single multi-leaf radar UWB, both radiated and received by the antenna, there are obviously no components at zero frequency (the integral of the function that describes the signal is always equal to zero over the signal lifetime) [1, formula 1.4, C .10]. Integration, as a linear operation on a signal, does not lead to the appearance of new components in the spectrum, including components at zero frequency.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ повышения разрешающей способности радиолокационного сверхширокополосного зондирования [3], заключающийся в том, что излучают N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, где N = 2, 3, 4, 5..., зондирование объекта исследования N-лепестковым радиоимпульсом осуществляют многократно, непрерывно принимают отраженные сигналы в выбранном временном окне, обнаруживают сигналы от объектов исследования, измеряют и оценивают параметры сигналов, отраженных от объектов исследования, при приеме отраженных сигналов управляемой величиной задержки задают окно приема с возможностью получить всю реализацию отраженного сигнала в выбранном временном окне и положения точки отсчета в нем, интегрируют полученные отсчеты отраженного сигнала в выбранном временном окне приема N-1 раз, преобразуя N-лепестковую временную структуру сигнала в однолепестковую, обеспечивающую разрешение близкорасположенных объектов исследования, используют результаты интегрирования для обнаружения объектов исследования, измерения и оценки параметров сигналов от объектов исследования.Closest to the claimed method is a method of increasing the resolution of radar ultra-wideband sounding [3], which consists in emitting an N-lobe probing radio pulse, where N = 2, 3, 4, 5 ..., sensing the object of study with an N-lobe radio pulse carry out repeatedly, continuously receive the reflected signals in the selected time window, detect signals from the objects of study, measure and evaluate the parameters of the signals reflected from the objects of study, when receiving the reflected of the received signals with a controlled delay value, a reception window is set with the ability to obtain the entire implementation of the reflected signal in the selected time window and the position of the reference point in it, integrate the received samples of the reflected signal in the selected time reception window N-1 times, converting the N-lobed temporal structure of the signal into a single providing resolution of nearby objects of study, use the results of integration to detect objects of study, measure and evaluate the parameters of signals from research objects.

Авторы прототипа полагают, что, поскольку интегрирование является линейным методом преобразования сигналов, использование цифрового N-1 кратного интегрирования позволит преобразовать многолепестковую временную структуру в однолепестковую, что, в конечном счете, послужит повышению разрешающей способности радиолокационного сверхширокополосного зондирования.The prototype authors believe that, since integration is a linear method of signal conversion, the use of digital N-1 multiple integration will allow converting a multi-lobe time structure to a single-lobe structure, which, ultimately, will increase the resolution of ultra-wideband radar sensing.

Действительно, интегрирование является линейной операцией обработки сигналов. Но при этом интегратор является фильтром нижних частот, подавляющим высокие частоты, несущие сверхценную некоординатную информацию о зондируемом объекте, абсолютно необходимую именно для повышения разрешающей способности радиолокационного сверхширокополосного зондирования. Последовательное цифровое многократное интегрирование принимаемого сигнала последовательно уничтожает информацию, способную послужить повышению разрешающей способности, преобразуя сигнал после подобных процедур в малоинформативный.Indeed, integration is a linear signal processing operation. But at the same time, the integrator is a low-pass filter that suppresses high frequencies that carry super-valuable non-coordinate information about the probed object, which is absolutely necessary to increase the resolution of ultra-wideband radar sensing. Sequential digital multiple integration of the received signal sequentially destroys information that can serve to increase the resolution, transforming the signal after such procedures into uninformative.

Пройдя N-1 интеграторов, на выход прошла бы только постоянная составляющая принимаемого сигнала, но, как указывалось выше, в составе как излучаемого, так и принимаемого антенной радиосигнала заведомо нет составляющих на нулевой частоте, поэтому сигнал после прохождения N-1 интеграторов всегда равен нулю. Сигнал на выходе после N-1 кратного цифрового интегрирования – это шумы дискретизации, квантования и погрешности цифровой обработки.After passing N-1 integrators, only the constant component of the received signal would pass to the output, but, as mentioned above, there are obviously no components at the zero frequency in both the radiated and received radio signals, so the signal after passing the N-1 integrators is always zero . The output signal after N-1 multiple digital integration is the noise of sampling, quantization and digital processing errors.

В этой связи следует говорить о недостижении техническим решением-прототипом заявленной в качестве технического результата изобретения повышения разрешающей способности СШП зондирования.In this regard, we should talk about the failure to achieve a technical solution prototype declared as a technical result of the invention to increase the resolution of UWB sensing.

Достигаемым техническим результатом заявляемого изобретения является повышение разрешающей способности СШП радиолокационного зондирования близкорасположенных объектов и повышение оперативности получения результата.Achievable technical result of the claimed invention is to increase the resolution of UWB radar sensing of nearby objects and increase the efficiency of obtaining the result.

Для решения поставленной задачи в способе повышения разрешающей способности радиолокационного сверхширокополосного зондирования, заключающемся в том, что излучают N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, где N = 2, 3, 4, 5..., принимают отраженный сигнал в выбранном временном окне, обнаруживают сигналы от объектов исследования, измеряют и оценивают параметры сигнала, отраженных от объектов исследования, при приеме отраженных сигналов управляемой величиной задержки задают окно приема дополнительно вводят операции обработки принимаемого N-лепесткового зондирующего радиоимпульса в К параллельных каналах, где К/N = 2, 3, 4,..., в каждом из К каналов принимаемый отраженный сигнал перемножают на сигнал, представляющий собой N-лепестковый радиоимпульс, идентичный зондирующему, задержанный в каждом канале по времени относительно предыдущего по номеру канала на величину Т/(К-1), где Т - длительность N-лепесткового зондирующего радиоимпульса, полученный в каждом из К параллельных каналов результат однократно интегрируют, выводят полученные результаты для отображения на индикатор, по результатам наблюдения нескольких ярких отметок на индикаторе делают заключение об обнаружении групповой воздушной цели и оценивают количество целей в группе.To solve the problem in a method of increasing the resolution of radar ultra-wideband sounding, which consists in emitting an N-lobe probing radio pulse, where N = 2, 3, 4, 5 ..., receive the reflected signal in the selected time window, detect signals from objects of study, measure and evaluate the parameters of the signal reflected from the objects of study, when receiving reflected signals with a controlled delay, set the reception window; additionally enter the processing operations of the received N-l a petal probing radio pulse in K parallel channels, where K / N = 2, 3, 4, ..., in each of the K channels the received reflected signal is multiplied by a signal representing an N-lobe radio pulse identical to the probing delayed in each channel by time relative to the previous channel number by the value of T / (K-1), where T is the duration of the N-lobe probing radio pulse, the result obtained in each of K parallel channels is integrated once, the results are displayed for display on the indicator, by cut To observation followers of several bright marks on the indicator, a conclusion is made about the detection of a group air target and the number of targets in the group is estimated.

Необходимость К-канальной параллельной обработки принимаемого N-лепесткового отраженного от цели сигнала обусловлена не только неинвариантностью приемного устройства ко времени задержки отраженного сигнала, которое априори неизвестно, но и тем обстоятельством, что устройство, реализующее заявляемый способ, обладает сверхразрешением в направлении зондирования. При этом разрешающая способность будет определяться ошибкой совмещения по времени принимаемого сигнала с перемножаемым при их перемножении в смесителе. При этом минимальное значение отношения К/N определяется из теоремы отсчетов Котельникова и равно 2. Но в интересах повышения точности измерений и снижения инструментальной ошибки измерений величину дискретизации следует уменьшить, увеличив количество каналов параллельной обработки.The need for K-channel parallel processing of the received N-lobe reflected from the target signal is due not only to the non-invariance of the receiving device to the delay time of the reflected signal, which is a priori unknown, but also to the fact that the device that implements the inventive method has super-resolution in the sensing direction. In this case, the resolution will be determined by the error of combining in time the received signal with the multiplied signal when they are multiplied in the mixer. In this case, the minimum value of the K / N ratio is determined from the theorem of Kotelnikov samples and is equal to 2. But in the interests of increasing the accuracy of measurements and reducing the instrumental error of measurements, the sampling rate should be reduced by increasing the number of parallel processing channels.

Рассмотрим возможность практической реализации заявляемого способа. На фиг.2 изображена схема устройства, реализующего заявляемый способ, где:Consider the possibility of practical implementation of the proposed method. Figure 2 shows a diagram of a device that implements the inventive method, where:

1. Генератор СШП сигнала.1. UWB signal generator.

2. Передающая антенна.2. Transmitting antenna.

3. Приемная антенна.3. The receiving antenna.

4. Аттенюатор.4. Attenuator.

5. Сверхширокополосный малошумящий усилитель (СМУ).5. Ultra-wide low-noise amplifier (SMU).

6. Управляемая линия задержки.6. Managed delay line.

7. Многоотводная ультразвуковая линия задержки (МУЛЗ).7. Multi-tap ultrasonic delay line (MULZ).

8. Компьютер.8. The computer.

9. К умножителей.9. K multipliers.

10. К интеграторов.10. K integrators.

По сигналу от первого выхода компьютера 8 запускается генератор СШП сигнала 1, который излучается передающей антенной 2. СШП сигнал, отраженный от близкорасположенных объектов, предположительно – групповой воздушной цели, поступает в приемную антенну 3. Как вариант, компьютер 8 на фиг.2 входит в состав РЛС дальнего радиолокационного обзора и обнаружения целей, например, РЛК 91Н6Е. Этот радиолокатор решает задачу обнаружения движущихся целей на большимх дальностях от защищаемого объекта и не имеет технических возможностей оперативно вскрыть состав атакующих целей, тем более целей, обнаруженных на предельных дальностях. В этой связи за счет получения информации об обнаруженной цели от РЛК 91Н6Е и определения наклонной дальности до цели компьютер 8 располагает информацией о задержке между временем излучения N-лепесткового СШП сигнала передающей антенной 2 и временем прихода на приемную антенну 3 отраженного от воздушной цели СШП сигнала. Программно реализованная в компьютере 8 система измерения дальности до цели вырабатывает сигнал, поступающий со второго выхода компьютера 8 на второй вход СМУ 5, формируя временноме окно и открывая СМУ 5 для прохождения принимаемого СШП сигнала, поступающего на первый вход СМУ 5 с выхода приемной антенны 3. С третьего выхода компьютера 8 сигнал временномго окна поступает на второй вход управляемой линии задержки 6, открывая ее для прохождения сигнала, на первый вход которой поступает малая часть излучаемой мощности СШП сигнала с выхода генератора СШП сигнала 1 через аттенюатор 4. Управляемая линия задержки 6 формирует величину задержки, обеспечивающей прохождение одного N-лепесткового сигнала СШП, синхронно с приемом сигнала, отраженного от цели. МУЛЗ 7 состоит из K-1 последовательно включенных элементов, каждый из которых обеспечивает задержку на величину Т/(К-1), где Т - длительность N-лепесткового зондирующего СШП сигнала, К - количество параллельных каналов обработки.The signal from the first output of computer 8 starts the UWB signal generator 1, which is emitted by the transmitting antenna 2. The UWB signal reflected from nearby objects, presumably a group air target, enters the receiving antenna 3. Alternatively, the computer 8 in FIG. 2 the composition of the radar for long-range radar surveillance and target detection, for example, radar 91N6E. This radar solves the problem of detecting moving targets at large ranges from the protected object and does not have the technical capabilities to quickly reveal the composition of the attacking targets, especially targets found at extreme ranges. In this regard, by obtaining information about the detected target from the RLC 91N6E and determining the oblique range to the target, computer 8 has information about the delay between the time of emission of the N-lobe UWB signal by the transmitting antenna 2 and the time of arrival of the signal reflected from the airborne target to the receiving antenna 3. The system for measuring the range to the target programmatically implemented in computer 8 generates a signal from the second output of computer 8 to the second input of the SMU 5, forming a time window and opening the SMU 5 to pass the received UWB signal to the first input of the SMU 5 from the output of the receiving antenna 3. From the third output of computer 8, the time window signal is fed to the second input of the controlled delay line 6, opening it to pass the signal, the first input of which receives a small part of the radiated power of the UWB signal from the gene Ator UWB signal 1 via an attenuator 4. The controlled delay line 6 generates a delay value providing passage of one N-petalled UWB signal in synchronism with the reception signal reflected from a target. MULZ 7 consists of K-1 series-connected elements, each of which provides a delay of T / (K-1), where T is the duration of the N-lobe probing UWB signal, K is the number of parallel processing channels.

Сама особенность принимаемых сигналов, достаточно подробно указанная выше, не позволяет использовать классические способы оптимальной обработки, связанные с фильтрацией (фильтрация инвариантна ко времени прихода отраженных сигналов и позволяет реализовать одноканальную обработку). Также абсолютно неприемлемы все методы оптимальной обработки, связанные с гетеродинированием или умножением на комплексно-сопряженную функцию с последующим интегрированием на промежуточной частоте. Автор считает, что наиболее адекватной обработкой, при которой не теряется, а полезно используется, в интересах получения максимально возможной разрешающей способности радиолокационного зондирования, является вычисление автокорреляционной функции между принимаемым N-лепестковым СШП сигналом и этим же сигналом, задержанным на время между излучением сигнала и его приемом.The very feature of the received signals, described in sufficient detail above, does not allow the use of classical methods of optimal processing associated with filtering (filtering is invariant by the time of arrival of the reflected signals and allows for single-channel processing). Also, all optimal processing methods associated with heterodyning or multiplication by a complex conjugate function with subsequent integration at an intermediate frequency are absolutely unacceptable. The author believes that the most adequate processing, in which it is not lost, but is used advantageously, in the interest of obtaining the highest possible resolution of radar sensing, is to calculate the autocorrelation function between the received N-lobe UWB signal and the same signal, delayed for a time between the signal his reception.

Использование многоканальной обработки принимаемого отраженного от цели сигнала объясняется не только априорной неопределенностью задержки принимаемого сигнала, но и необходимостью рассчитывать значение автокорреляционного интеграла для различных величин задержек между сигналами.The use of multi-channel processing of the received signal reflected from the target is explained not only by the a priori uncertainty of the delay of the received signal, but also by the need to calculate the value of the autocorrelation integral for various values of the delays between the signals.

Практическая реализация предлагаемого способа обработки СШП сигналов осуществляется путем подачи сигнала с выхода управляющей линии задержки на первые входы К умножителей 9 – на первый вход умножителя первого канала – непосредственно, а на первые входы остальных К-1 умножителей 9 – с соответствующего отвода МУЛЗ 7, причем вход МУЛЗ 7 соединен с выходом управляемой линии задержки 6, одновременном параллельном вычислении в К каналах К автокорреляционных интегралов: для этого на каждый из вторых входов К умножителей 9 поступает один и тот же принимаемый от цели и поступающий с выхода СМУ 5 N-лепестковый СШП сигнал, сигнал с выходов К умножителей 9 поступает на входы К интеграторов. На выходы К интеграторов 10 формируется сигнал на нулевой частоте (постоянная составляющая). Величина этого сигнала соответствует величине автокорреляционного интеграла. Сигналы с выхода К интеграторов 10 поступают в компьютер 8 для отображения на индикаторе (экране компьютера).The practical implementation of the proposed method for processing UWB signals is carried out by supplying a signal from the output of the delay control line to the first inputs of the multipliers 9 - to the first input of the multiplier of the first channel - directly, and to the first inputs of the remaining K-1 of the multipliers 9 - from the corresponding MULZ 7 branch the MULZ input 7 is connected to the output of the controlled delay line 6, while simultaneously calculating the autocorrelation integrals in the K channels K: for this, the same input to each of the second inputs K of the multipliers 9 received from the target and coming from the output of the SMU 5 N-flap UWB signal, the signal from the outputs K of the multipliers 9 is fed to the inputs of the integrators. The outputs K of the integrators 10 generates a signal at zero frequency (constant component). The magnitude of this signal corresponds to the magnitude of the autocorrelation integral. The signals from the output K of the integrators 10 enter the computer 8 for display on the indicator (computer screen).

При точном совмещении принимаемого N-лепесткового отраженного от цели сигнала с перемножаемым будет наблюдаться существенное превышение уровня сигнала на нулевой частоте на выходе интегратора одного из каналов по сравнению с остальными K-1 каналами. Это отобразится высокой яркостью свечения отметки на индикаторе (экране компьютера 8) и графическим отображением уровня сигнала. Если отметка единственная, то такой результат позволит решить задачу распознавания – распознать обнаруженную цель как одиночную.With the exact combination of the received N-lobe reflected signal from the target with the multiplied signal, there will be a significant excess of the signal level at zero frequency at the output of the integrator of one of the channels compared to the other K-1 channels. This will be displayed with a high brightness of the glow of the mark on the indicator (computer screen 8) and a graphic display of the signal level. If the mark is unique, then such a result will allow us to solve the recognition problem - to recognize the detected target as a single one.

В случае обнаружения групповой цели, даже если произошло совмещение по времени отдельных N лепестков в принимаемом РЛС сигнале, на выходах сразу нескольких интеграторов (по числу целей в составе группы) будут наблюдаться значительные сигналы, что позволит оперативно распознать групповую цель, задолго до того, как это смогут сделать традиционные узкополосные РЛС. Конечно, допустимы ошибки в определении количества целей в составе группы (вследствие затенения одних целей в группе другими), но сам факт выявления групповой цели может быть осуществлен с высокой достоверностью и предельно оперативно, что позволит предпринять своевременные и эффективные действия по уничтожению такой цели. In the event that a group target is detected, even if individual N lobes are combined in time in the received radar signal, significant signals will be observed at the outputs of several integrators (according to the number of targets in the group), which will allow to quickly recognize a group target long before traditional narrow-band radars can do this. Of course, mistakes are made in determining the number of goals in the group (due to the shading of some goals in the group by others), but the very fact of identifying a group goal can be carried out with high reliability and extremely quickly, which will allow you to take timely and effective actions to destroy such a goal.

Следует отметить, что увеличение значения К/N сверх нескольких единиц не приведет к возрастанию разрешающей способности – вполне очевидно, что ключевыми моментами для реализации сверхразрешения прежде всего являются ширина лепестка N-лепесткового сигнала и степень адекватности используемой обработки сигнала.It should be noted that an increase in K / N over several units will not lead to an increase in resolution - it is obvious that the key points for implementing superresolution are primarily the width of the N-lobe signal lobe and the degree of adequacy of the signal processing used.

С точки зрения реализации следует отметить, что все узлы, связанные с прохождением СШП сигналов, должны быть выполнены с использованием элементов, имеющих достаточно широкие полосы пропускания. В настоящее время развитие элементной базы в значительной степени снимает остроту этих требований. Так, еще в 2016 году компания GlobalFoundries анонсировала разработку сверхбыстродействующих чипов по заказу DARPA, выполненных по 32-нанометровой технологии и способных обрабатывать входные сигналы с частотой до 30 ГГц [4]. Расчеты с использованием фиг.1 а) показывают, что использование подобной элементной базы позволяет достичь пространственных размеров каждого из N-лепестков СШП сигналов всего 5 мм, что избыточно не только для распознавания числа целей в группе, но и избыточно для технической реализации сигнатурного распознавания не только типов атакующих воздушных целей, но и находящегося на их подвесках оружия. From the point of view of implementation, it should be noted that all nodes associated with the passage of UWB signals must be implemented using elements that have sufficiently wide bandwidths. Currently, the development of the elemental base to a large extent removes the severity of these requirements. So, back in 2016, GlobalFoundries announced the development of ultra-fast chips commissioned by DARPA, made using 32-nanometer technology and capable of processing input signals with a frequency of up to 30 GHz [4]. Calculations using Fig. 1 a) show that the use of such an elemental base allows us to achieve the spatial dimensions of each of the N-petals of UWB signals of only 5 mm, which is redundant not only for recognizing the number of targets in a group, but also redundant for the technical implementation of signature recognition not not only types of attacking air targets, but also weapons located on their suspensions.

Таким образом, предлагаемый способ технически реализуем и позволяет повысить разрешающую способность радиолокационного сверхширокополосного зондирования и повысить оперативность получения результата.Thus, the proposed method is technically feasible and can increase the resolution of radar ultra-wideband sounding and increase the efficiency of obtaining the result.

ЛитератураLiterature

1. Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. – М.: Радио и связь, 1989. – 192 с. (аналог);1. Astanin L.Yu., Kostylev A.A. Basics of ultra-wideband radar measurements. - M .: Radio and communications, 1989 .-- 192 p. (analogue);

2. Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. – М., «Советское радио», 1970, С.132;2. Theoretical foundations of radar. Ed. Shirmana Y.D. - M., "Soviet Radio", 1970, p.132;

3. Патент на изобретение RU 2348945 C1 (прототип);3. Patent for the invention RU 2348945 C1 (prototype);

4.https://www.dailytechinfo.org/military/7748-novye-sverhbystrodeystvuyuschie-chipy-stanut-osnovoy-kommunikacionnyh-sistem-rabotu-kotoryh-budet-nevozmozhno-podavit.html .4.https: //www.dailytechinfo.org/military/7748-novye-sverhbystrodeystvuyuschie-chipy-stanut-osnovoy-kommunikacionnyh-sistem-rabotu-kotoryh-budet-nevozmozhno-podavit.html.

Claims (1)

Способ повышения разрешающей способности радиолокационного сверхширокополосного зондирования, заключающийся в том, что излучают N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, где N = 2, 3, 4, 5..., принимают отраженный сигнал в выбранном временном окне, обнаруживают сигналы от объектов исследования, измеряют и оценивают параметры сигналов, отраженных от объектов исследования, при приеме отраженных сигналов управляемой величиной задержки задают окно приема, дополнительно вводят операции обработки принимаемого N-лепесткового зондирующего радиоимпульса в К параллельных каналах, где К/N = 2, 3, 4,..., в каждом из К каналов принимаемый отраженный сигнал перемножают на сигнал, представляющий собой идентичный излученному N-лепестковый зондирующий радиоимпульс, задержанный в каждом канале по времени относительно предыдущего по номеру канала на величину Т/(К-1), где Т - длительность N-лепесткового зондирующего радиоимпульса, полученный в каждом из К параллельных каналов результат однократно интегрируют, выводят полученные результаты для отображения на индикатор, по результатам наблюдения нескольких ярких отметок на индикаторе делают заключение об обнаружении групповой воздушной цели и оценивают количество целей в группе.A way to increase the resolution of ultra-wideband radar sensing, which consists in emitting an N-lobe probing radio pulse, where N = 2, 3, 4, 5 ..., receive the reflected signal in the selected time window, detect signals from the objects of study, measure and evaluate the parameters of the signals reflected from the objects of study, when receiving reflected signals with a controlled delay value, a reception window is set, processing operations of the received N-lobe probing radio signal are additionally introduced the pulse in K parallel channels, where K / N = 2, 3, 4, ..., in each of the K channels, the received reflected signal is multiplied by a signal that is identical to the emitted N-lobe probing radio pulse, delayed in each channel in time relative to the previous channel number by the value of T / (K-1), where T is the duration of the N-lobe probing radio pulse, the result obtained in each of the K parallel channels is integrated once, the results are displayed for display on the indicator, according to the observation results Olka bright marks on the display conclude the discovery of a group of air targets and estimate the number of goals in the group.
RU2019127454A 2019-08-30 2019-08-30 Method of increasing resolution of radar ultra-wideband probing RU2710837C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019127454A RU2710837C1 (en) 2019-08-30 2019-08-30 Method of increasing resolution of radar ultra-wideband probing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019127454A RU2710837C1 (en) 2019-08-30 2019-08-30 Method of increasing resolution of radar ultra-wideband probing

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2710837C1 true RU2710837C1 (en) 2020-01-14

Family

ID=69171286

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019127454A RU2710837C1 (en) 2019-08-30 2019-08-30 Method of increasing resolution of radar ultra-wideband probing

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2710837C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2778829C1 (en) * 2021-11-13 2022-08-25 Андрей Вадимович Лаврентьев Device for resolving dense order components of a group air target in range and azimuth

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5600561A (en) * 1994-02-10 1997-02-04 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Vehicle distance data processor
US5854603A (en) * 1994-09-02 1998-12-29 Zircon Corporation Ultra-wideband swept range gate radar system with variable transmitter delay
RU2222031C1 (en) * 2002-05-13 2004-01-20 Сургутский государственный университет ХМАО Method forming sounding signals in complex location system
RU2348945C1 (en) * 2007-07-03 2009-03-10 ОАО "Радиоавионика" Method of increase of resolution ability of radar-tracking ultrabandwidth sounding
RU2402038C2 (en) * 2008-06-25 2010-10-20 Закрытое акционерное общество "Научно-производственная фирма "Микран" Radar probing method using continuous emission
WO2014116180A1 (en) * 2013-01-22 2014-07-31 Decod Science & Technology Pte Ltd 4d uwb radar inspection method and system
RU2533198C1 (en) * 2013-08-14 2014-11-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" Method of controlling radar station resolution
RU2658075C1 (en) * 2017-07-12 2018-06-19 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный морской технический университет" (СПбГМТУ) Method of signals superresolution by time in active location

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5600561A (en) * 1994-02-10 1997-02-04 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Vehicle distance data processor
US5854603A (en) * 1994-09-02 1998-12-29 Zircon Corporation Ultra-wideband swept range gate radar system with variable transmitter delay
RU2222031C1 (en) * 2002-05-13 2004-01-20 Сургутский государственный университет ХМАО Method forming sounding signals in complex location system
RU2348945C1 (en) * 2007-07-03 2009-03-10 ОАО "Радиоавионика" Method of increase of resolution ability of radar-tracking ultrabandwidth sounding
RU2402038C2 (en) * 2008-06-25 2010-10-20 Закрытое акционерное общество "Научно-производственная фирма "Микран" Radar probing method using continuous emission
WO2014116180A1 (en) * 2013-01-22 2014-07-31 Decod Science & Technology Pte Ltd 4d uwb radar inspection method and system
RU2533198C1 (en) * 2013-08-14 2014-11-20 Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" Method of controlling radar station resolution
RU2658075C1 (en) * 2017-07-12 2018-06-19 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный морской технический университет" (СПбГМТУ) Method of signals superresolution by time in active location

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2778829C1 (en) * 2021-11-13 2022-08-25 Андрей Вадимович Лаврентьев Device for resolving dense order components of a group air target in range and azimuth
RU2791275C1 (en) * 2022-03-16 2023-03-07 Михаил Григорьевич Корягин Method for detecting air objects when sounding with ultrashort radio pulses

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6700536B1 (en) System and method for determining a direction of incident electromagnetic signals
US10705177B2 (en) Method and system for determining an unambiguous angle of arrival using interferometry
US10132920B2 (en) Dispersive object detector and clutter reduction device
EP3561539B1 (en) Angular resolution of targets using separate radar receivers
DE102015210676A1 (en) FMCW RADAR DEVICE AND FMCW RADAR SIGNAL PROCESSING METHOD
Mohr et al. Design and generation of stochastically defined, pulsed FM noise waveforms
CN108132461A (en) Inhibit the method for CW with frequency modulation landing radar direct current leakage
US7339519B2 (en) Methods and apparatus for target radial extent determination using deconvolution
US3808594A (en) Multiplicative signal processor for target detection systems
RU2688921C2 (en) Method of measuring range and radial velocity in radar with probing composite pseudorandom lfm pulse
CN113253301B (en) Multi-frequency pulse laser radar signal processing method and wind measuring radar system
Gashinova et al. Signal detection in multi-frequency forward scatter radar
RU2710837C1 (en) Method of increasing resolution of radar ultra-wideband probing
Yan et al. Through-the-wall human respiration detection using impulse ultra-wide-band radar
Ritchie et al. Joint active passive sensing using a radio frequency system-on-a-chip based sensor
GB2558643A (en) Method and apparatus for determining a pulse repetition interval parameter of a coded pulse-based radar
WO2016194044A1 (en) Target detection device and target detection method
Matoušek et al. Correlation-based TDOA algorithm for the target localization at low signal to noise ratio
Bachman Some recent developments in RCS measurement techniques
US3568189A (en) Spectrum analysis radar system for angle determination
RU2530542C1 (en) Method and device for measurement of angular height of object of search in surveillance non-linear radars
RU2676469C1 (en) Radar target simulator
RU2360265C1 (en) Method of radar detection of mobile targets with phase selection on range and device to this end
RU2504798C1 (en) Method for spectral processing of auxiliary signals
RU2510040C2 (en) Device to determine condition of marine surface