RU2032915C1 - Method of range measurement - Google Patents

Abstract

FIELD: radar navigation systems. SUBSTANCE: method involves complexing of results of two independent range measurements: first by value of delay between maximum of envelope and end of probing pulse and second by shift of phases between oscillations of probing and reflected pulses. For increase of interval of unambiguous measurement to value exceeding maximum error of coarse measurement phase measurements on two frequencies emitted in succession are taken into account and shift of phases corresponding to difference frequency is determined which makes it possible to enhance precision of range measurement. EFFECT: enhanced precision of range measurement. 1 dwg

Description

 The invention relates to radio engineering and can be used in the design of radar navigation systems with increased requirements for the accuracy of measuring the distance between the radar and radio contrast objects (landmarks) with known coordinates.

R(t)
(1) где F_p разность допплеровских частот в приемных каналах, С скорость света.One of the closest in technical essence to the proposed technical solution is the method of measuring range, discussed in the book. YD Shirman Theoretical Foundations of Radar. M. Sov. Radio, 1970, p. 361-364 and in the book. M. I. Finkelshtein Fundamentals of Radar. M. Sov. Radio, 1973, p. 92-94, based on the emission of continuous microwave oscillations at two carrier frequencies, the reception of reflected oscillations by independent receiving channels, the allocation and narrow-band filtering of Doppler frequencies in each of the receiving channels, the formation of a phase difference φ of the voltage of the Doppler frequencies at the outputs of the receiving channels and the calculation of the range to the target R (t) from the relation
φ

R (t)
(1) where F _{p is} the Doppler frequency difference in the receiving channels, C is the speed of light.

(2) где R_max максимальная дальность, а это, в свою очередь, при больших значениях R_max приводит к невысокой точности измерения дальности, которая, как это следует из (1), (2), при заданной инструментальной ошибке измерения фазы δ φ определяется соотношением для ошибки измерения дальности вида
δR ≥

R_max
(3)
Наиболее близким к предлагаемому способу по своей технической сущности является известный способ, сущность которого заключается в излучении зондирующих импульсов с высокочастотным заполнением, приеме отраженных импульсных сигналов, выделении их амплитудной огибающей после согласованной фильтрации, измерении задержки максимального значения огибающей относительно момента излучения зондирующего импульса в том же периоде повторения. При измерении дальности способом-прототипом обеспечивается высокая разрешающая способность по дальности и возможно однозначное измерение дальности как до движущихся, так и до неподвижных целей.The disadvantage of this method of measuring range is, firstly, the lack of resolution in range, secondly, the method needs radar movement relative to landmarks and cannot work with fixed landmarks, and thirdly, in order for the range measurement to be unambiguous, differential the frequency must be selected from the condition
F _p ≅

(2) where R _{max is the} maximum range, and this, in turn, at large values of R _max leads to low accuracy of range measurement, which, as follows from (1), (2), for a given instrumental error of phase measurement δ φ determined by the ratio for the error measuring the range of the form
δR ≥

R _max
(3)
Closest to the proposed method in its technical essence is a known method, the essence of which is to emit sounding pulses with high-frequency filling, receiving reflected pulse signals, extracting their amplitude envelope after matched filtering, measuring the delay of the maximum envelope relative to the moment of radiation of the probe pulse in the same repetition period. When measuring a range by the prototype method, a high range resolving power is provided and an unambiguous range measurement is possible for both moving and stationary targets.

 The disadvantage of the prototype method is the lack of accuracy in measuring ranges, in particular, for solving geodetic and navigation problems.

(4) где E/N_o отношение энергии импульса Е к спектральной плотности шумов N_o. Как видно из выражения (4), при сτ_и /2 15 м, ρ

10 σ_o 3,3 м, что означает недостаточную точность для решения ряда специфических задач, в частности, задачи точной навигации или геодезии.Indeed, the standard error of the range measurement in the case of rectangular probe pulses with a duration of τ _and in a single measurement is determined by the expression
σ _o =

(4) where E / N _{o is the} ratio of the pulse energy E to the noise spectral density N _o . As can be seen from expression (4), for cτ _and / 2 15 m, ρ

10 σ _o 3.3 m, which means insufficient accuracy to solve a number of specific tasks, in particular, tasks of accurate navigation or geodesy.

f_g-f

≅

g, h ∈

где Δ_o /2 максимальная ошибка в определении дальности по времени задержки между максимумом амплитудной огибающей и концом зондирующего импульса, задерживают принимаемые сигналы в обоих квадратурных каналах и сигналы амплитудной огибающей на время h-g периодов повторения зондирующих импульсов, формируют сигнал, пропорциональный произведению максимальных значений амплитудных огибающих задержанного и незадержанного сигналов, формируют сигналы, пропорциональные произведению задержанных и незадержанных сигналов одноименных квадратур, а также сигналы, пропорциональные произведению задержанных и незадержанных сигналов разноименных квадратур, сигналы с одноименных квадратур суммируют друг с другом, а сигналы с разноименных квадратур вычитают друг из друга, нормируют получившиеся сигналы суммы и разности к сигналу, пропорциональному произведению максимальных значений амплитудных огибающих задержанного и незадержанного сигналов, по полученным таким образом сигналам, пропорциональным значениям косинуса и синуса фазы φ_o соответственно, определяют известным образом ее главное значение в интервале углов (0,2 π) и вычисляют дальность до цели по формуле
R₁=

m_o+

где m_o=

причем E(U_o) означает целую часть, Д(U_o) дробную часть от U_o.The disadvantage of the prototype is eliminated in the proposed method, which consists in the fact that in the method, which includes emitting coherent probe pulses, receiving the reflected signals, phase detecting them in quadrature channels, matched filtering, extracting the amplitude envelope, measuring the delay of the maximum envelope relative to the end of the radiation of the probe pulse in the same repetition period and determining the distance to the object from a known dependence, the carrier frequency of the probing signals and the frequency are rebuilt heterodyne oscillations synchronously and in phase from period to period according to the regular law alternately to one of l ≥ 2 fixed values so that at least two frequencies f _g , f _h differ from each other by
Δf _o =

f _g -f

≅

g, h ∈

where Δ _o / 2 is the maximum error in determining the delay time range between the maximum of the amplitude envelope and the end of the probe pulse, the received signals in both quadrature channels are delayed and the signals of the amplitude envelope for the time hg of the periods of repetition of the probe pulses, form a signal proportional to the product of the maximum values of the amplitude envelopes delayed and uncontrolled signals, generate signals proportional to the product of the delayed and uncontrolled signals of the same quadrature, also signals proportional to the product of the delayed and uncontrolled signals of unlike quadrature, signals from the same quadrature are subtracted from each other, and signals from the opposite quadrature are subtracted from each other, the resulting sum and difference signals are normalized to the signal proportional to the product of the maximum values of the amplitude envelopes of the delayed and uncontrolled signals , on the thus obtained signals proportional to values of the cosine and sine of the phase φ _o, respectively, is determined in known manner e major importance in the angular range (0,2 π) and calculating the distance to the target according to the formula
R ₁ =

m _o +

where m _o =

wherein E (U _o ) means the integer part, D (U _o ) the fractional part of U _o .

g_i,h_i∈

где Δ_i/2 величина максимальной ошибки измерения R_i, при этом дальность вычисляют по формуле
R_i+1=

m_i+

где m_i=

₁
U_i=

f_i-

Благодаря осуществлению совокупности указанных выше операций обеспечивается комплексирование результатов двух независимых измерений дальности, первого по величине задержки между максимумом огибающей и концом зондирующего импульса, которое является однозначным, но сравнительно неточным, и второго по сдвигу фаз между колебаниями зондирующих и отраженных сигналов, которое является точным, но неоднозначным, причем для увеличения интервала однозначного измерения до значения, превосходящего максимальную ошибку грубого измерения, используются фазовые измерения на двух частотах, излучаемых попеременно, и определяeтся сдвиг фаз, соответствующий разностной частоте, равной разности излучаемых несущих частот. Значение дальности до объекта (ориентира) с точностью до интервала однозначного измерения, равного половине длины волны разностной частоты, определяется путем сравнения показаний измерителя по задержке (дальномера) с фазовым измерителем, при этом показания последнего используются для уточнения измерения дальности с точностью до долей интервала однозначного измерения.In order to increase accuracy with the number of frequencies l> 2, an iterative process is organized in which the above operations are repeated, choosing the tuning frequencies f _gi , f _hi so that
Δf _i = f _gi -f _hi ≅

g _i , h _i ∈

where Δ _i / 2 is the value of the maximum measurement error R _i , while the range is calculated by the formula
R _{i + 1} =

m _i +

where m _i =

₁
U _i =

f _i -

Thanks to the implementation of the totality of the above operations, the results of two independent range measurements are combined, the first by the value of the delay between the maximum of the envelope and the end of the probe pulse, which is unambiguous, but relatively inaccurate, and the second by phase shift between the oscillations of the probing and reflected signals, which is accurate, but ambiguous, and to increase the interval of unambiguous measurement to a value exceeding the maximum error of a coarse measurement, use Phase measurements are used at two frequencies emitted alternately, and a phase shift corresponding to a difference frequency equal to the difference of the emitted carrier frequencies is determined. The value of the distance to the object (landmark) up to an interval of unambiguous measurement equal to half the wavelength of the difference frequency is determined by comparing the readings of the meter for the delay (rangefinder) with a phase meter, while the readings of the latter are used to refine the measurement of the range up to fractions of the interval of the unambiguous measurements.

 Thus, by combining these measurements, an accurate and unambiguous result is obtained.

 The drawing shows a functional diagram of a radar that implements the proposed method.

The following designations are accepted: 1 transmitting device (Trans. U); 2 antenna switch (AP); 3 antenna (A); 4 receiving device (Ave. U); 5 phase detectors (PD); 6 phase shifter 90 ^o (PV); 7 matched filters (SF); 8 envelope separation unit (BVO); 9 range finder (D); 10 synchronizer (C); 11 frequency tuning unit (BCH); 12 delay lines for (hg) repetition periods (Ls); 13 phase difference meter (IF) meter; 14 block aggregation (BC).

 In accordance with the presented scheme, the radar that implements the proposed method works as follows.

где Δ_o /2 максимальная ошибка измерения дальности R_o по задержке амплитудной огибающей принимаемого импульса относительно конца зондирующего импульса в том же периоде повторения. Проходя антенный переключатель (АП) 2, эти импульсы излучаются антенной (А) 3 в пространство.The transmitting device (Trans. U) 1 emits coherent probe pulses with frequency tuning according to the regular law to one of the fixed frequencies f _ci , ig, h, and Δf _o = f _h -f _g ≅

where Δ _o / 2 is the maximum measurement error of the range R _o by the delay of the amplitude envelope of the received pulse relative to the end of the probe pulse in the same repetition period. Passing the antenna switch (AP) 2, these pulses are emitted by the antenna (A) 3 into space.

t

cos

t

+

, i=g,h где a(t)

причем τ_и длительность импульса, проходя А 3 и АП 2, попадают в приемное устройство (Пр. У), в котором они преобразуются по частоте на промежуточную частоту f_пч и усиливаются, после чего попадают на входы фазовых детекторов ФД 5₁, 5₂, на другие входы которых в качестве колебаний опорной частоты приходят непрерывные колебания, формируемые в Пер.У 1, причем на ФД 5₂ поступают колебания
U_пч(t) a_п4cos

t+φ_пчt+φ_пч-

со сдвигом фаз на 90^о, образующимся благодаря фазовращателю (ФВ) 6. После фильтрации в согласованных фильтрах СФ 7₁, 7₂ квадратурные составляющие видеосигналов, которые выражаются в виде (неизвестные начальные фазы излучаемых сигналов φ_ci и гетеродинных колебаний φ_гiкомпенсируются благодаря когерентному построению РЛС, так как φ_п4=

-

U_ic(t) a_ia

t

cos

U_is(t) a_ia

t

sin

(1)
i g, h, квадрируются, суммируются и преобразуются (нелинейное преобразование извлечение квадратного корня) в блоке выделения огибающей (БВО) 8, так что из них формируются положительные видеоимпульсы
U_i(t) a_ia

t

, i g,h которые приходят на вход дальномера Д9. Д9 измеряет дальность до объекта (ориентира) и одновременно стробирует СФ 7₁, 7₂. На выходах СФ в стробах выделяются квадратурные составляющие сигналов разнополярные видеоимпульсы, величины и знаки которых определяются выражениями
U_ic= a_icos

(2)
U_is= a_isin

i g,h причем сигналы U_gc, U_hc (и, соответственно, U_gs, U_hs) появляются через h-g периодов повторения.Signals reflected from targets
U _i (t) a _i a

t

cos

t

+

, i = g, h where a (t)

moreover, τ _{and the} pulse duration, passing A 3 and AP 2, fall into the receiving device (Pr. U), in which they are converted in frequency to the intermediate frequency f _pc and amplified, after which they go to the inputs of the phase detectors PD 5 ₁ , 5 ₂ , the other inputs of which as oscillations of the reference frequency come continuous oscillations formed in Per.U 1, and on the PD 5 ₂ vibrations
U _pic (t) a _p4 cos

t + φ t + φ _{nq nq} -

with a phase shift ^of 90, formed through the phase shifter (EF) 6. After filtering in matched filters SF July _{1, 2 July} quadrature components of video signals, which are expressed in the form (unknown initial phases φ _ci radiated signals and heterodyne oscillations φ _{plaster Gi} compensated through coherent radar construction, since φ _p4 =

-

U _ic (t) a _i a

t

cos

U _is (t) a _i a

t

sin

(1)
ig, h, are squared, summed and transformed (non-linear transformation, square root extraction) in the envelope extraction unit (BVO) 8, so that positive video pulses are formed from them
U _i (t) a _i a

t

, ig, h that come to the entrance of the range finder D9. D9 measures the distance to the object (landmark) and at the same time gates the SF 7 ₁ , 7 ₂ . At the SF outputs in the gates, the quadrature components of the signals are distinguished by bipolar video pulses whose values and signs are determined by
U _ic = a _i cos

(2)
U _is = a _i sin

ig, h, and the signals U _gc , U _hc (and, accordingly, U _gs , U _hs ) appear after hg repetition periods.

 It is assumed that the objects (landmarks) are stationary relative to the radar and are single-point targets (for example, angular) reflectors.

After pairwise multiplication and summation of the delayed repetition periods and undue quadrature components of the same quadrature delayed in LZ 12 ₁ , 12 ₂ , a signal with a magnitude and polarity in accordance with the expression
b _c U _gc U _hc + U _gs U _hs ,
those.

cos

cos

+ sin

sin

или b_c= a_ga_hcos

(ω_g-ω_h)
(3) Аналогично, после попарного перемножения и вычитания задержанных в ЛЗ 12₁, 12₂ на h-g периодов повторения и незадержанных разноименных квадратурных составляющих образуется импульсный сигнал с величиной и полярностью, определяемыми выражениями
b_s U_gsU_hs-U_gcU_hs,
т.е.b _c = a _g a

cos

cos

+ sin

sin

or b _c = a _g a _h cos

(ω _g -ω _h )
(3) Similarly, after pairwise multiplication and subtraction of the repetition periods delayed in LZ 12 ₁ , 12 ₂ and hg unlike unlike quadrature components, a pulse signal is generated with the magnitude and polarity determined by the expressions
b _s U _gs U _hs -U _gc U _hs ,
those.

sin

cos

+ cos

sin

или
b_s= a_ga_hsin

(ω_g-ω_h)
(4) Импульсный сигнал a_g из БВО 8 задерживается в ЛЗ 12₃ на h-g периодов повторения и поступает в измеритель фазы разностной частоты (ИФ) 13, куда приходит в тот же момент сигнал a_h, одновременно в ИФ 13 формируются сигналы b_s, b_c. В ИФ 13 образуются нормированные сигналы

и

а затем определяется фаза φ_o например, по правилу

(5) Значение φ_o из ИФ 13 поступает в блок комплексирования БК 14, куда из дальномера одновременно приходит значение дальности R_o. В БК 14 вычисляется уточненное значение дальности по правилу
R₁=

m_o+

где m_o=

(6)
причем U_o=

f_o-

E(Uo) означает целую часть от U_o, Д(U_o) дробную часть от U_o.b _s = a _g a

sin

cos

+ cos

sin

or
b _s = a _g a _h sin

(ω _g -ω _h )
(4) The pulse signal a _g from BWO 8 is delayed in LZ 12 ₃ by hg of repetition periods and enters the phase frequency difference meter (IF) 13, where the signal a _h arrives at the same moment, signals b _s are generated at IF 13 _, b _c . In IF 13, normalized signals are formed

and

and then the phase φ _o is determined, for example, by the rule

(5) The value of φ _o from IF 13 enters the complexation unit BK 14, where the range value R _o simultaneously comes from the range finder. In BC 14, the adjusted range value is calculated according to the rule
R ₁ =

m _o +

where m _o =

(6)
and U _o =

f _o -

E (Uo) means the integer part of U _o , D (U _o ) the fractional part of U _o .

(

h

(7) где Δ_i /2 величина максимальной ошибки измерения R_i, при этом дальность вычисляют по формуле
R_i+1=

m_i+

(8) где m_i=

причем
U_i=

f_i-

Техническим преимуществом заявляемого способа по сравнению с прототипом является существенное повышение точности измерения дальности.If necessary, further refinement of the distance to the object (landmark) is possible by organizing an iterative process, for this, for l> 2 (the number of tuning frequencies), the above operations are repeated, choosing a pair of tuning frequencies f _gi , f _hi so that
Δf _i = f _gi -f _hi ≅

(

h

(7) where Δ _i / 2 is the value of the maximum measurement error R _i , while the range is calculated by the formula
R _{i + 1} =

m _i +

(8) where m _i =

moreover
U _i =

f _i -

The technical advantage of the proposed method compared to the prototype is a significant increase in the accuracy of range measurement.

·

(9)
причем Δf_i определяется из (7).The error in measuring the range of the claimed method can be estimated by analyzing the relations (4) - (8). It is expressed as
σ _{i + 1} =

·

(nine)
moreover, Δf _i is determined from (7).

So, for example, at ρ 10, σ _o 3.3 m we get Δ _o 6 σ _o 20 m Δ f _o 7.5 MHz and σ ₁ = 1 m

Further, Δ ₁ 6 m, Δf ₁ 23 MHz and σ ₂ 30 cm, etc.

 Thus, the proposed method, in the presence of frequency tuning by three values (l 3), spaced at 7.5 MHz and 23 MHz, can improve the accuracy of measuring ranges by at least an order of magnitude.

 Economic benefits are not expected, since the introduction of the proposed method in the equipment will not lead to a decrease in the cost of its manufacture.

Claims (1)

RANGE MEASUREMENT METHOD, which consists in emitting coherent sounding pulse signals, receiving reflected pulse signals, converting the received signals into an intermediate frequency signal, amplifying, isolating the quadrature components of the received signal U _{i c} , U _{i s} by phase detection and matched filtering, isolate amplitude envelope of the signal

measure the delay of the maximum value of the amplitude envelope of the received signal relative to the moment the probe pulse signal ends in the same repetition period, determine the distance to the object, characterized in that the frequency of the probe pulse signals and the frequency of the heterodyne oscillations change synchronously and in phase from period to period to one of monotonically increasing (or monotonically decreasing) fixed values
f ₁ <f ₂ <f ₃ <f _l or f ₁ > f ₂ > f ₃ > f _l
so that

where c is the speed of light;
δ _{o the} calculated value of the maximum error of measuring the range by the delay time of the maximum value of the amplitude envelope of the received signal after matching filtering relative to the end of the probe pulse signal in the same repetition period;

where r is the signal-to-noise power ratio,
delay the quadrature components of the received signal U _{i c} · U _{i s} and the amplitude envelope of the received signal for the repetition period of the probing signals, form a signal a _i · a _{i - 1} proportional to the product of the values of the amplitude envelopes of the delayed a _i and delayed a _{i - 1 of the} received signals, at the same time, they generate signals proportional to the products U _ic · U _{i-1, c} U _is · U _{i-1, s of} unstoppable and delayed signals of the same quadrature components, as well as signals proportional to the products U _is · U _{i-1, c} U _ic · U _{i-1, s} nezaderzhann x and delayed signals of opposite quadrature components, wherein U _{i c;} U _{i _} s unrestrained quadrature components of the received signal; U _{i-1, s} ; U _{i-1, s the} quadrature components of the received signal delayed by the repetition period, the product signals of the same quadrature components are summed with each other, form the sum signal b _ic = U _ic · U _{i-1, c} + U _is · U _{i-1, s} , the product signals of the opposite quadrature components are subtracted from each other, a difference signal b _is = U _is · U _{i-1, c} -U _ic · U _{i-1, s} is generated, the signal of the sum b _{i c} and the difference signal b _{i s} are normalized the signal a _i · a _{i - 1} ;

determine the phase of the signal φ _i differential frequency and calculate the distance to the target:

Where

moreover

i 1,2, l-1;
E (U _i ) the integer part of U _i ;
D (U _i ) the fractional part of U _i ;
C is the speed of light.

Images