RU2539558C1 - Method of forming three-dimensional image of earth's surface and air environment using antenna array - Google Patents

Method of forming three-dimensional image of earth's surface and air environment using antenna array Download PDF

Info

Publication number
RU2539558C1
RU2539558C1 RU2013149268/07A RU2013149268A RU2539558C1 RU 2539558 C1 RU2539558 C1 RU 2539558C1 RU 2013149268/07 A RU2013149268/07 A RU 2013149268/07A RU 2013149268 A RU2013149268 A RU 2013149268A RU 2539558 C1 RU2539558 C1 RU 2539558C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
matrix
antenna
elements
dimensional image
earth
Prior art date
Application number
RU2013149268/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Константинович Клочко
Алексей Николаевич Усачев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет"
Priority to RU2013149268/07A priority Critical patent/RU2539558C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2539558C1 publication Critical patent/RU2539558C1/en

Links

Landscapes

  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.
SUBSTANCE: method of forming a three-dimensional image of the earth's surface and air environment using an antenna array includes successive scanning of a scanning with displacement of the antenna beam by the beam pattern width and forming, at each position of the beam, a three-dimensional image of reflection objects via two-step processing of a matrix of complex measurements, received in channels of the antenna array, which enables to estimate the amplitude of the reflection field in angular elements of discretisation of the visibility zone of the antenna in all range resolution elements and obtain spatial coordinates of all reflecting elements in the visibility zone.
EFFECT: forming a three-dimensional image of reflection objects in a visibility zone using a cheap two-step procedure of increasing resolution of the antenna array on angular coordinates.
1 dwg

Description

Изобретение относится к радиолокации, а именно к бортовым радиолокационным системам (РЛС) наблюдения за земной поверхностью и воздушной обстановкой, работающим в режиме реального луча (РЛ) на базе плоской антенной решетки (АР) [1]. Режим РЛ отличается простотой реализации (в сравнении с режимом синтезирования апертуры), отсутствием ограничений на движение носителя РЛС, возможностью осуществления маневра и наблюдения вперед по курсу полета [2]. Однако низкая разрешающая способность режима РЛ, определяемая шириной диаграммы направленности (ДН) антенны, ограничивает его применение малой дальностью наблюдения при маловысотном полете (МВП).The invention relates to radar, and in particular to airborne radar systems (radar) for monitoring the earth's surface and the air situation, working in real beam (RL) based on a flat antenna array (AR) [1]. The radar mode is notable for its simplicity of implementation (in comparison with the aperture synthesis mode), the absence of restrictions on the movement of the radar carrier, and the possibility of maneuvering and observing forward along the flight course [2]. However, the low resolution of the radar mode, determined by the width of the radiation pattern (BH) of the antenna, limits its use to a small observation range at low altitude flight (MVP).

Для повышения безопасности МВП необходимо формировать трехмерное изображение рельефа местности по курсу полета в реальном масштабе времени. При наблюдении за воздушной обстановкой возникает необходимость различения нескольких одинаково удаленных воздушных объектов, расположенных в пределах ширины ДН антенны (обнаружения групповых воздушных объектов). При этом возникают три задачи: повышение разрешающей способности антенны, формирование трехмерного изображения и повышение скорости обработки данных. На решение указанных задач направлено данное изобретение.To improve the safety of the profit center, it is necessary to form a three-dimensional image of the terrain at the flight rate in real time. When observing the air situation, it becomes necessary to distinguish between several equally distant aerial objects located within the antenna beam width (detection of group air objects). In this case, three tasks arise: increasing the resolution of the antenna, forming a three-dimensional image and increasing the speed of data processing. The invention is directed to the solution of these problems.

Известен способ двухэтапного восстановления изображений в многоканальных радиолокационных и радиотеплолокационных станциях [3], обладающий повышенным быстродействием. Применительно к РЛС в [3] рассматривается режим РЛ с ДН, разделяющейся по угловым переменным. Такое свойство ДН позволяет при формировании радиолокационного изображения осуществлять обработку матрицы измерений вначале по строкам и затем по столбцам с помощью одномерного суммирования измерений с весовыми коэффициентами. Показано преимущество способа [3] в быстродействии по сравнению с обычной обработкой матрицы измерений с помощью двумерного суммирования при одинаковом числе каналов за счет более эффективной организации вычислений. Однако в [3] дано описание сканирующей РЛС, в которой эффект повышения разрешающей способности по углам основан на последовательном смещении луча РЛС по строкам и столбцам на размер элемента дискретизации (пикселя матрицы изображения). Сканирование приводит к увеличению времени обработки и случайному изменению фазы принимаемого сигнала при повторном излучении, что существенно снижает точность восстановления изображения и соответственно его четкость (разрешающую способность). Также в [3] не указывается, для какой именно антенны выполняется свойство разделения ДН по угловым переменным.The known method of two-stage image recovery in multichannel radar and radiolocation stations [3], which has increased speed. In relation to the radar, in [3], the radar mode with MD, which is divided by angular variables, is considered. This property of the ND allows, when forming a radar image, to process the measurement matrix first in rows and then in columns using one-dimensional summation of measurements with weight coefficients. The advantage of the method [3] in speed compared to conventional processing of the measurement matrix using two-dimensional summation with the same number of channels due to a more efficient organization of calculations is shown. However, in [3] a description is given of a scanning radar, in which the effect of increasing the resolution in angles is based on the sequential displacement of the radar beam in rows and columns by the size of the sampling element (pixel of the image matrix). Scanning leads to an increase in processing time and a random change in the phase of the received signal upon repeated emission, which significantly reduces the accuracy of image reconstruction and, accordingly, its clarity (resolution). Also, in [3], it is not indicated for which antenna the property of dividing the beam by angular variables is fulfilled.

Наиболее близким по технической сущности является способ повышения разрешающей способности фазированной антенной решетки (ФАР) бортовой станции [4], заключающийся в формировании ДН N-канальной ФАР с использованием рассчитанных комплексных весовых коэффициентов, отличающийся тем, что при приеме отраженного от земной поверхности зондирующего сигнала с направления θ, φ угла места θ и азимута φ комплексные сигналы y ˙ k

Figure 00000001
, принятые в k-x каналах ФАР ( k = 1 , N ¯
Figure 00000002
, N - число каналов), суммируют с весовыми коэффициентами
Figure 00000003
рассчитанными методом восстановления n угловых составляющих поля отражения от земной поверхности в пределах ширины ДН ФАР (n<N), и осуществляют оценивание j-х комплексных амплитуд
Figure 00000004
поля отражения по формулеThe closest in technical essence is a way to increase the resolution of a phased array antenna (PAR) of an airborne station [4], which consists in forming an N-channel phased array antenna using calculated complex weight coefficients, characterized in that when receiving a probe signal reflected from the earth's surface with directions θ, φ elevation angle θ and azimuth φ complex signals y ˙ k
Figure 00000001
received in kx channels of PAR ( k = one , N ¯
Figure 00000002
, N is the number of channels), summarized with weights
Figure 00000003
calculated by the method of reconstructing the n angular components of the reflection field from the earth's surface within the width of the beam headlamp (n <N), and j-complex amplitudes are estimated
Figure 00000004
reflection fields according to the formula

Figure 00000005
Figure 00000005

затем берут модули оценок

Figure 00000006
и получают амплитудное изображение
Figure 00000007
элементов поверхности, наблюдаемых в пределах ширины ДН с повышенным в n раз угловым разрешением.then take assessment modules
Figure 00000006
and get the amplitude image
Figure 00000007
surface elements observed within the limits of the width of the beam with an angular resolution increased by a factor of n.

Суммирование в формуле (1) ведется по всем j-м элементам линейной или плоской ФАР. Для плоской ФАР, ДН которой обладает свойством разделения по угловым переменным, формула (1), так же как в [3], раскрывается в виде экономичной двухэтапной процедуры (восстановление матрицы изображения вначале по i-м строкам и затем по j-м столбцам):The summation in formula (1) is carried out over all j-th elements of a linear or flat headlamp. For a flat headlamp, whose DN has the property of dividing by angular variables, formula (1), as in [3], is disclosed as an economical two-stage procedure (restoration of the image matrix first by the ith rows and then by the jth columns) :

Figure 00000008
Figure 00000008

Figure 00000009
Figure 00000009

где m и n - число элементов дискретизации по угловым координатам θ и φ (m<M, n<N); y ˙ q , k

Figure 00000010
- комплексные измерения в q,k-x каналах ФАР
Figure 00000011
Figure 00000012
и
Figure 00000013
- элементы матриц весовых коэффициентов WA и WB.where m and n are the number of discretization elements along the angular coordinates θ and φ (m <M, n <N); y ˙ q , k
Figure 00000010
- complex measurements in q, kx channels of the PAR
Figure 00000011
Figure 00000012
and
Figure 00000013
- elements of the matrices of weights W A and W B.

Однако такой способ обладает следующими недостатками.However, this method has the following disadvantages.

1. Для рассмотренной в [4] системы координат ДН ФАР не разделяется по угловым переменным (азимуту и углу места). Следовательно, заявленная двухэтапная процедура в такой системе координат не применима.1. For the coordinate system considered in [4], the headlamps are not separated by angular variables (azimuth and elevation). Therefore, the claimed two-stage procedure in such a coordinate system is not applicable.

2. Способ ограничен рассмотрением плоских (в угловых координатах) изображений, в то время как радиолокационные наблюдения позволяют измерять дальность и на этой основе формировать более информативные трехмерные изображения объектов отражения.2. The method is limited to considering flat (in angular coordinates) images, while radar observations allow us to measure the range and on this basis to form more informative three-dimensional images of reflection objects.

3. Способ ограничен рассмотрением только одного углового направления луча антенны, в то время как область обзора содержит множество угловых направлений.3. The method is limited to considering only one angular direction of the antenna beam, while the field of view contains many angular directions.

Технический результат направлен на формирование трехмерного изображения объектов отражения в зоне обзора с применением экономичной двухэтапной процедуры повышения разрешающей способности АР по углам.The technical result is aimed at forming a three-dimensional image of reflection objects in the field of view using an economical two-stage procedure for increasing the resolution of the AR in the corners.

Технический результат предлагаемого технического решения достигается тем, что способ формирования трехмерного изображения земной поверхности и воздушной обстановки с помощью антенной решетки в виде M×N-матрицы приемных элементов заключается в том, что при наблюдении за земной поверхностью или воздушной обстановкой с помощью сканирующего по углам луча антенны в зоне обзора измеряют при каждом положении луча в q,k-x измерительных каналах

Figure 00000014
значения комплексных амплитуд принимаемых сигналов y ˙ q , k
Figure 00000015
, формируют из этих амплитуд M×N-матрицу измерений Y с элементами
Figure 00000016
и далее обрабатывают,The technical result of the proposed technical solution is achieved by the fact that the method of forming a three-dimensional image of the earth's surface and the air environment using the antenna array in the form of an M × N matrix of receiving elements is that when observing the earth's surface or the air situation using a beam scanning at angles antennas in the field of view are measured at each beam position in the q, kx measuring channels
Figure 00000014
values of the complex amplitudes of the received signals y ˙ q , k
Figure 00000015
form from these amplitudes an M × N measurement matrix Y with elements
Figure 00000016
further processed

отличающийся тем, что при сканировании последовательно смещают луч на ширину диаграммы направленности антенны (на уровне 0,5 мощности) построчно в зоне обзора, комплексные амплитуды

Figure 00000017
измеряют в каждом l-м элементе разрешения дальности ( l = 1 , L ¯
Figure 00000018
, L - число таких элементов), запоминают их в M×N-матрице измерений Y и обрабатывают в антенной системе координат, при этом умножают матрицу Y слева на рассчитанную заранее m×M-матрицу весовых коэффициентов WA и получают m×N-матрицу S восстановленного по строкам изображения: S=WAY, далее матрицу S умножают справа на рассчитанную заранее N×n-матрицу весовых коэффициентов WB и получают m×n-матрицу U восстановленного по строкам и столбцам изображения с повышенным в mn раз (m<N, n<N) угловым разрешением: U=SWB, затем вычисляют модули
Figure 00000019
комплексных элементов матрицы
Figure 00000020
повторяют операции для всех l-х элементов дальности
Figure 00000021
и запоминают координаты тех i,j,l-x пространственных элементов, амплитуды которых превышают порог γ0 обнаружения полезного сигнала: u(i,j,l)>γ0, в результате получают трехмерное изображение объектов отражения в виде совокупности их прямоугольных координат xj,yj,zl в зоне видимости антенны, затем повторяют операции для всех положений луча и получают трехмерное изображение в полной зоне обзора.characterized in that during scanning the beam is sequentially shifted by the width of the antenna pattern (at the level of 0.5 power) line by line in the field of view, complex amplitudes
Figure 00000017
measured in each l-th element of range resolution ( l = one , L ¯
Figure 00000018
, L is the number of such elements), store them in the M × N measurement matrix Y and process it in the antenna coordinate system, while multiplying the Y matrix on the left by the previously calculated m × M matrix of weight coefficients W A and obtain an m × N matrix S of the row-reconstructed image: S = W A Y, then the matrix S is multiplied on the right by the N × n matrix of weight coefficients W B calculated in advance, and an m × n matrix U of the image reconstructed in rows and columns is obtained with an increase in mn times (m <N, n <N) angular resolution: U = SW B , then the modules are calculated
Figure 00000019
complex matrix elements
Figure 00000020
repeat operations for all l-range elements
Figure 00000021
and remember the coordinates of those i, j, lx spatial elements whose amplitudes exceed the useful signal detection threshold γ 0 : u (i, j, l)> γ 0 , as a result, a three-dimensional image of reflection objects is obtained in the form of a combination of their rectangular coordinates x j , y j , z l in the visibility range of the antenna, then repeat the operations for all positions of the beam and get a three-dimensional image in the full viewing area.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

1. Луч антенны с помощью электронного управления сканирует зону обзора, смещаясь по азимуту и углу места построчно на ширину ДН (на уровне 0,5 мощности).1. The antenna beam, using electronic control, scans the field of view, moving in azimuth and elevation line by line to the width of the beam (at the level of 0.5 power).

2. После посылки зондирующих импульсов отраженные сигналы принимаются q,k-ми элементами АР (одиночными или объединенными в группы), которые расположены в плоскости АР в матричном порядке по q-м строкам и k-м столбцам (

Figure 00000022
, М и N - число элементов по строке и столбцу).2. After sending the probe pulses, the reflected signals are received by the q, kth AR elements (single or grouped), which are located in the AR plane in matrix order along the qth rows and kth columns (
Figure 00000022
, M and N - the number of elements by row and column).

3. Принятые сигналы поступают в q, k-e приемные каналы

Figure 00000023
, проходят в них тракт первичной обработки (стробирование по дальности, фазовое детектирование, фильтрацию на низкой частоте [5]), в результате которой на видеочастоте выделяются комплексные амплитуды
Figure 00000024
принимаемых сигналов
Figure 00000023
в каждом l-м элементе разрешения по дальности ( l = 1 , N ¯
Figure 00000025
, L - число таких элементов).3. Received signals arrive at q, ke receive channels
Figure 00000023
pass through them the primary processing path (range gating, phase detection, low-frequency filtering [5]), as a result of which complex amplitudes are emitted on the video frequency
Figure 00000024
received signals
Figure 00000023
in each l-th element of range resolution ( l = one , N ¯
Figure 00000025
, L is the number of such elements).

4. Комплексные амплитуды

Figure 00000024
помещаются в М×N-матрицу измерений Y в каждом l-м элементе дальности. Дальнейшая обработка осуществляется в l-х элементах дальности независимо и параллельно в антенной системе угловых координат φx, θy.4. Complex amplitudes
Figure 00000024
placed in the M × N-matrix of measurements Y in each l-th element of range. Further processing is carried out in l-range elements independently and in parallel in the antenna system of angular coordinates φ x , θ y .

5. Матрица Y умножается слева на рассчитанную заранее m×М-матрицу весовых коэффициентов WA. Получается m×N-матрица S восстановленного по строкам изображения: S=WAY.5. The matrix Y is multiplied on the left by the m × M matrix of weight coefficients W A calculated in advance. The result is an m × N matrix S of a row-reconstructed image: S = W A Y.

6. Матрица S умножается справа на рассчитанную заранее N×n-матрицу весовых коэффициентов WB. Получается m×n-матрица U восстановленного по строкам и столбцам изображения с повышенным в mn раз (m<N, n<N) угловым разрешением: U=SWB.6. The matrix S is multiplied on the right by the pre-calculated N × n matrix of weight coefficients W B. It turns out the m × n matrix U of the image reconstructed from rows and columns with an increased mn times (m <N, n <N) angular resolution: U = SW B.

7. Вычисляются модули

Figure 00000026
комплексных элементов матрицы
Figure 00000027
и запоминаются номера i,j амплитуд u(i,j,l), которые превышают порог обнаружения полезного сигнала γ0: u(i,j,l)>γ0 в l-м элементе дальности.7. Modules are calculated
Figure 00000026
complex matrix elements
Figure 00000027
and the numbers i, j of amplitudes u (i, j, l) that exceed the detection threshold of the useful signal γ 0 : u (i, j, l)> γ 0 in the l-th range element are stored.

8. На множестве l-х элементов дальности

Figure 00000028
для запомненных номеров i,j,l, имеющих угловые координаты θy(i), φx(j) и дальность r(l), вычисляются прямоугольные координаты x=φx(j)r(l), y=θy(i)r(l), z=r(l), совокупность которых представляет трехмерное изображение объектов отражения в зоне видимости АР.8. On the set of l-range elements
Figure 00000028
for the memorized numbers i, j, l having angular coordinates θy (i), φ x (j) and range r (l), rectangular coordinates x = φ x (j) r (l), y = θ y (i ) r (l), z = r (l), the combination of which represents a three-dimensional image of reflection objects in the AR visibility zone.

9. Для всех положений сканирующего луча антенны получается трехмерное изображение в виде совокупности точек с координатами x, y, z в полной зоне обзора.9. For all positions of the scanning beam of the antenna, a three-dimensional image is obtained in the form of a set of points with coordinates x, y, z in the full viewing area.

10. Полученные координаты пересчитываются в глобальную систему координат с целью пространственно-временной обработки изображений.10. The resulting coordinates are converted into a global coordinate system for the purpose of spatio-temporal image processing.

Расчетная частьSettlement part

Наблюдение земной поверхности или воздушной обстановки ведется в антенной прямоугольной системе координат o,x,y,z, ось oz совпадает с центральным направлением излучения и приема отраженных сигналов. В антенной системе также используется система координат r,φxy, где r - наклонная дальность; φx - угол между осью oz и геометрической проекцией луча РЛС на горизонтальную плоскость o,x,z; θy - угол между осью oz и геометрической проекцией луча на вертикальную плоскость o,y,z.Observation of the earth's surface or air situation is carried out in a rectangular antenna coordinate system o, x, y, z, the oz axis coincides with the central direction of radiation and reception of reflected signals. The antenna system also uses the coordinate system r, φ x , θ y , where r is the slant range; φ x is the angle between the oz axis and the geometric projection of the radar beam on the horizontal plane o, x, z; θ y is the angle between the oz axis and the geometric projection of the beam onto the vertical plane o, y, z.

На фигуре 1 показано следующее: заштрихованная часть - плоскость антенны; o,x,y,z - прямоугольные антенные координаты; φ, θ - сферические угловые координаты (азимут и угол места); φx=φ - азимут и θy - угол места в проекции на координатную плоскость o,y,z;

Figure 00000029
- вектор луча отражения от точки M; α - угол между вектором
Figure 00000029
и вектором скорости
Figure 00000030
движения носителя РЛС.The figure 1 shows the following: the shaded part is the plane of the antenna; o, x, y, z - rectangular antenna coordinates; φ, θ - spherical angular coordinates (azimuth and elevation); φ x = φ is the azimuth and θ y is the elevation angle in the projection onto the coordinate plane o, y, z;
Figure 00000029
is the vector of the reflection beam from point M; α is the angle between the vector
Figure 00000029
and velocity vector
Figure 00000030
radar carrier movements.

Антенна выполнена в форме плоской М×N-решетки с q,k-ми элементами, расположенными в матричном порядке

Figure 00000031
работающими на излучение и прием отраженных сигналов. Центры приемных элементов антенны расположены в точках М(xk,yq) с координатами xk, yq.The antenna is made in the form of a flat M × N-array with q, k elements located in matrix order
Figure 00000031
working on the radiation and reception of reflected signals. The centers of the receiving elements of the antenna are located at points M (x k , y q ) with coordinates x k , y q .

Комплексная модель сигналов

Figure 00000032
представлена двойной суммой:Comprehensive signal model
Figure 00000032
represented by a double sum:

Figure 00000033
Figure 00000033

Figure 00000034
Figure 00000034

гдеWhere

Figure 00000035
Figure 00000035

Figure 00000036
Figure 00000036

где

Figure 00000037
- комплексная амплитуда принимаемого сигнала в l-м элементе разрешения дальности с углового направления θy(i), φx(j); множитель i под знаком экспоненты - мнимая единица; ξl - изменение фазы сигнала при приеме в l-м элементе дальности; u(i,j,l) - амплитуда сигнала отражения в i,j-м угловом направлении и l-м элементе дальности, характеризующая отражающую способность i,j,l-го пространственного элемента разрешения (ненулевая для элемента отражения); ε - неизвестное изменение фазы в l-м элементе дальности, которое в l-м элементе можно считать неизменным, а на множестве значений l - случайным, равномерно распределенным на [0,2π]; λ - длина волны;
Figure 00000038
- комплексная нормированная ДН q,k-го приемного элемента АР, амплитудная часть которой g(i,j) - известная функция θy(i) и φx(j) (µ - известный коэффициент); Δ - ширина круговой ДН антенны; δq,kq,k(i,j) - известное опережение или запаздывание по фазе сигнала, принимаемого с i,j-го углового направления в q,k-м приемном элементе по сравнению с центром антенны;
Figure 00000039
- комплексный гауссовский белый шум с нулевым математическим ожиданием и дисперсией
Figure 00000040
действительной и мнимой части.Where
Figure 00000037
- the complex amplitude of the received signal in the l-th element of range resolution from the angular direction θ y (i), φ x (j); the factor i under the sign of the exponent is an imaginary unit; ξ l is the phase change of the signal when received in the l-th element of range; u (i, j, l) is the amplitude of the reflection signal in the i, jth angular direction and the lth range element, which characterizes the reflectivity of the i, j, lth spatial resolution element (nonzero for the reflection element); ε is the unknown phase change in the l-th element of range, which in the l-th element can be considered unchanged, and on the set of values of l - random, uniformly distributed on [0,2π]; λ is the wavelength;
Figure 00000038
- the complex normalized DN q of the kth receiving element of the AR, the amplitude part of which g (i, j) is the known function θ y (i) and φ x (j) (μ is the known coefficient); Δ is the width of the circular bottom antenna; δ q, k = δ q, k (i, j) - a known advance or phase delay of the signal received from the i, jth angular direction in the q, kth receiving element compared to the center of the antenna;
Figure 00000039
- complex Gaussian white noise with zero expectation and dispersion
Figure 00000040
real and imaginary parts.

Суммирование в (3) ведется по i,j-м элементам дискретизации угломерной области {(θ,φ)} в пределах ДНА.The summation in (3) is carried out over the i, jth discretization elements of the goniometric region {(θ, φ)} within the BOTTOM.

Расчет δq,kq,k(i,j) в угловых антенных координатах θy(i), φx(j) сводится к следующему. Для плоского фронта волны вектор нормали

Figure 00000041
или
Figure 00000042
The calculation of δ q, k = δ q, k (i, j) in the angular antenna coordinates θ y (i), φ x (j) reduces to the following. For a plane wave front, the normal vector
Figure 00000041
or
Figure 00000042

По формуле расстояния от точки M(xq,yk) центра q,k-го элемента антенны до плоскости волны, проходящей через центр антенны, получаемUsing the formula for the distance from the point M (x q , y k ) of the center q, of the kth element of the antenna to the plane of the wave passing through the center of the antenna, we obtain

Figure 00000043
Figure 00000043

Для ширины ДН Δ порядка 10-20° (в радианах это малая величина по сравнению с единицей), формулу (4) можно упростить:For a beam width Δ of the order of 1 0 -2 0 ° (in radians this is a small value compared to unity), formula (4) can be simplified:

Figure 00000044
Figure 00000044

Тогда комплексная ДН каждого q,k-го элемента АР разделяется по угловым переменным φx и θy следующим образом:Then the complex pattern of each q, kth element of the AR is divided by the angular variables φ x and θ y as follows:

Figure 00000045
Figure 00000045

где

Figure 00000046
Where
Figure 00000046

Figure 00000047
Figure 00000047

С учетом (6) модель (3) принимает вид повторной суммы:In view of (6), model (3) takes the form of a repeated sum:

Figure 00000048
Figure 00000048

или в матричной форме:or in matrix form:

Figure 00000049
Figure 00000049

где Y - М×N-матрица измерений

Figure 00000050
where Y is the M × N measurement matrix
Figure 00000050

А - М×m-матрица коэффициентов

Figure 00000051
A - M × m matrix of coefficients
Figure 00000051

U - m×n-матрица искомых амплитуд;U is the m × n matrix of the desired amplitudes;

В - m×N-матрица коэффициентов

Figure 00000052
записанная в транспонированном виде по отношению к матрице A; P - М×N-матрица помех
Figure 00000053
B - m × N matrix of coefficients
Figure 00000052
recorded in transposed form with respect to matrix A; P - M × N interference matrix
Figure 00000053

Оптимальную оценку

Figure 00000054
матрицы U находим по критерию минимума следа матрицы (Y-AUB)H(Y-AUB) по формуле [3, 4]:Optimal grade
Figure 00000054
the matrices U are found by the criterion of the minimum trace of the matrix (Y-AUB) H (Y-AUB) by the formula [3, 4]:

Figure 00000055
Figure 00000055

где H - символ операции транспонирования и сопряжения; I - единичная матрица; δ - параметр регуляризации.where H is the symbol for the transpose and pairing operation; I is the identity matrix; δ is the regularization parameter.

Операции (9) удобно выполнять в виде двухэтапной процедуры:It is convenient to perform operations (9) in the form of a two-stage procedure:

Figure 00000056
Figure 00000056

Figure 00000057
Figure 00000057

где

Figure 00000058
- матрицы комплексных весовых коэффициентов. Для круговой ДН (m=n): В=AH.Where
Figure 00000058
- matrices of complex weights. For a circular pattern (m = n): B = A H.

Оценки (10) могут быть представлены в виде линейной комбинации измерений с весовыми коэффициентами по формуле (2). Таким образом, решение задачи восстановления двумерного изображения U сводится к последовательному решению двух одномерных задач.Estimates (10) can be represented as a linear combination of measurements with weighting coefficients according to formula (2). Thus, the solution to the problem of reconstructing a two-dimensional image U reduces to the sequential solution of two one-dimensional problems.

Модули

Figure 00000059
элементов комплексной матрицы оценок
Figure 00000054
, превышающие порог обнаружения полезного сигнала, по совокупности значений i, j дают амплитудное изображение объектов отражения в l-м элементе дальности в зоне видимости АР. На множестве значений l получаем трехмерное изображение поверхности в виде совокупности точек с координатами x=φx(j)r(l), y=θy(i)r(l), z=r(l) в антенной прямоугольной системе.Modules
Figure 00000059
elements of an integrated assessment matrix
Figure 00000054
exceeding the detection threshold of the useful signal, in terms of the combination of i, j values give an amplitude image of the reflection objects in the l-th range element in the AR visibility range. On the set of values of l, we obtain a three-dimensional image of the surface in the form of a set of points with coordinates x = φ x (j) r (l), y = θ y (i) r (l), z = r (l) in a rectangular antenna system.

Точность оценок амплитуд при заданном числе m, n элементов дискретизации угломерной области {(θ,φ)} определяется числом и взаимным расположением элементов антенной решетки и соответственно структурой матриц A и B. Ковариационную матрицу Coν ошибок оценивания на каждом этапе оценивания (10) приближенно можно определить по формуле

Figure 00000060
. Наоборот, при заданном предельном значении СКО ошибки оценивания находятся числа m и n, определяющие угловую разрешающую способность трехмерного изображения.The accuracy of the estimates of the amplitudes for a given number m, n of discretization elements of the goniometric region {(θ, φ)} is determined by the number and relative position of the elements of the antenna array and, accordingly, the structure of the matrices A and B. The covariance matrix Coν of the estimation errors at each estimation stage (10) can be approximately determine by the formula
Figure 00000060
. On the contrary, for a given limit value of the standard deviation of the estimation error, the numbers m and n are found, which determine the angular resolution of the three-dimensional image.

ЛитератураLiterature

1. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию / пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1986. 448 с.1. Monzingo R.A., Miller T.U. Adaptive Antenna Arrays: Introduction to Theory / Per. from English - M .: Radio and communications, 1986. 448 p.

2. Активные фазированные антенные решетки / Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова.- М.: Радиотехника. 2004. 487 с.2. Active phased antenna arrays / Ed. DI. Voskresensky and A.I. Kanaschenkova.- M .: Radio engineering. 2004.487 s.

3. Патент RU 2379705 C2.3. Patent RU 2379705 C2.

4. Патент RU 2464680 C1.4. Patent RU 2464680 C1.

5. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны / А.Н. Антипов, В.Т. Горяинов, А.Н. Кулин и др.; под ред. В.Т. Горяинова.- М.: Радио и связь, 1988. 304 с.5. Radar stations with digital synthesis of the antenna aperture / A.N. Antipov, V.T. Goryainov, A.N. Culin et al .; under the editorship of V.T. Goryainova.- M.: Radio and Communications, 1988. 304 p.

Claims (1)

Способ формирования трехмерного изображения земной поверхности и воздушной обстановки с помощью антенной решетки в виде M×N-матрицы приемных элементов, заключающийся в том, что при наблюдении за земной поверхностью или воздушной обстановкой с помощью сканирующего по углам луча антенны в зоне обзора измеряют при каждом положении луча в q, k-x измерительных каналах ( q = 1 , M ¯ , k = 1 , N ¯ )
Figure 00000061
значения комплексных амплитуд принимаемых сигналов y ˙ q , k
Figure 00000062
, формируют из этих амплитуд M×N-матрицу измерений Y с элементами y ˙ q , k ,
Figure 00000063
q = 1 , M ¯ ,
Figure 00000064
k = 1 , N ¯
Figure 00000065
и далее обрабатывают,
отличающийся тем, что при сканировании последовательно смещают луч на ширину диаграммы направленности антенны (на уровне 0,5 мощности) построчно в зоне обзора, комплексные амплитуды y ˙ q , k ( l )
Figure 00000066
измеряют в каждом l-м элементе разрешения дальности ( l = 1 , L ¯
Figure 00000067
, L - число таких элементов), запоминают их в M×N-матрице измерений Y и обрабатывают в антенной системе координат, при этом умножают матрицу Y слева на рассчитанную заранее m×M-матрицу весовых коэффициентов WA и получают m×N-матрицу S восстановленного по строкам изображения: S=WAY, далее матрицу S умножают справа на рассчитанную заранее N×n-матрицу весовых коэффициентов WB и получают m×n-матрицу U восстановленного по строкам и столбцам изображения с повышенным в mn раз (m<N, n<N) угловым разрешением: U=SWB, затем вычисляют модули u ( i , j , l ) = | u ˙ ( i , j , l ) |
Figure 00000068
i, j-х комплексных элементов матрицы U ( i = 1 , m ¯ , j = 1 , n ¯ )
Figure 00000069
, повторяют операции для всех l-х элементов дальности ( l = 1 , L ¯ )
Figure 00000070
и запоминают координаты тех i, j, l-x пространственных элементов, амплитуды которых превышают порог γ0 обнаружения полезного сигнала: u(i,j,l)>γ0, в результате получают трехмерное изображение объектов отражения в виде совокупности их прямоугольных координат xj, yj, zl в зоне видимости антенны, затем повторяют операции для всех положений луча и получают трехмерное изображение в полной зоне обзора.
The method of forming a three-dimensional image of the earth's surface and the air environment using an antenna array in the form of an M × N matrix of receiving elements, which consists in the fact that when observing the earth's surface or the air situation using an antenna beam scanning at angles, the antennas in the field of view are measured at each position beam in q, kx measuring channels ( q = one , M ¯ , k = one , N ¯ )
Figure 00000061
values of the complex amplitudes of the received signals y ˙ q , k
Figure 00000062
form from these amplitudes an M × N measurement matrix Y with elements y ˙ q , k ,
Figure 00000063
q = one , M ¯ ,
Figure 00000064
k = one , N ¯
Figure 00000065
further processed
characterized in that during scanning the beam is sequentially shifted by the width of the antenna pattern (at the level of 0.5 power) line by line in the field of view, complex amplitudes y ˙ q , k ( l )
Figure 00000066
measured in each l-th element of range resolution ( l = one , L ¯
Figure 00000067
, L is the number of such elements), store them in the M × N measurement matrix Y and process it in the antenna coordinate system, while multiplying the Y matrix on the left by the previously calculated m × M matrix of weight coefficients W A and obtain an m × N matrix S of the row-reconstructed image: S = W A Y, then the matrix S is multiplied on the right by the N × n matrix of weight coefficients W B calculated in advance, and an m × n matrix U of the image reconstructed in rows and columns is obtained with an increase in mn times (m <N, n <N) angular resolution: U = SW B , then the modules are calculated u ( i , j , l ) = | u ˙ ( i , j , l ) |
Figure 00000068
i, j-x complex elements of the matrix U ( i = one , m ¯ , j = one , n ¯ )
Figure 00000069
repeat operations for all l-x range elements ( l = one , L ¯ )
Figure 00000070
and remember the coordinates of those i, j, lx spatial elements whose amplitudes exceed the useful signal detection threshold γ 0 : u (i, j, l)> γ 0 , as a result, a three-dimensional image of reflection objects is obtained in the form of a combination of their rectangular coordinates x j , y j , z l in the visibility range of the antenna, then repeat the operations for all positions of the beam and get a three-dimensional image in the full viewing area.
RU2013149268/07A 2013-11-05 2013-11-05 Method of forming three-dimensional image of earth's surface and air environment using antenna array RU2539558C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013149268/07A RU2539558C1 (en) 2013-11-05 2013-11-05 Method of forming three-dimensional image of earth's surface and air environment using antenna array

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2013149268/07A RU2539558C1 (en) 2013-11-05 2013-11-05 Method of forming three-dimensional image of earth's surface and air environment using antenna array

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2539558C1 true RU2539558C1 (en) 2015-01-20

Family

ID=53288585

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013149268/07A RU2539558C1 (en) 2013-11-05 2013-11-05 Method of forming three-dimensional image of earth's surface and air environment using antenna array

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2539558C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2648234C1 (en) * 2017-07-17 2018-03-23 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС") Method of search and detection of object
RU2738249C1 (en) * 2019-10-18 2020-12-11 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт точных приборов" (АО "НИИ ТП") Method of generating received spatial-time signal reflected from observed multipoint target during operation of radar system, and bench simulating test space-time signals reflected from observed multipoint target, for testing sample of radar system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6563451B1 (en) * 2002-01-16 2003-05-13 Raytheon Company Radar imaging system and method
EP1895472A2 (en) * 2006-08-31 2008-03-05 Sierra Nevada Corporation System and method for 3D radar image rendering
RU2327190C1 (en) * 2006-10-25 2008-06-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А.И. Берга" Method of obtaining three-dimensional radar image of rotating, pitching and banking object, with multi-frequency pulsed probing
RU2464680C1 (en) * 2011-04-20 2012-10-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method of increasing resolution of phased antenna array of on-board system
RU124820U1 (en) * 2012-06-01 2013-02-10 Закрытое акционерное общество "Электронно-вычислительные информационные и инструментальные системы" SYSTEM AND METHOD OF THREE-DIMENSIONAL VISUALIZATION OF A BRIGHT RADAR RADAR CARD OF A LOCATION

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6563451B1 (en) * 2002-01-16 2003-05-13 Raytheon Company Radar imaging system and method
EP1895472A2 (en) * 2006-08-31 2008-03-05 Sierra Nevada Corporation System and method for 3D radar image rendering
RU2327190C1 (en) * 2006-10-25 2008-06-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А.И. Берга" Method of obtaining three-dimensional radar image of rotating, pitching and banking object, with multi-frequency pulsed probing
RU2464680C1 (en) * 2011-04-20 2012-10-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" Method of increasing resolution of phased antenna array of on-board system
RU124820U1 (en) * 2012-06-01 2013-02-10 Закрытое акционерное общество "Электронно-вычислительные информационные и инструментальные системы" SYSTEM AND METHOD OF THREE-DIMENSIONAL VISUALIZATION OF A BRIGHT RADAR RADAR CARD OF A LOCATION

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2648234C1 (en) * 2017-07-17 2018-03-23 Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС") Method of search and detection of object
RU2738249C1 (en) * 2019-10-18 2020-12-11 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт точных приборов" (АО "НИИ ТП") Method of generating received spatial-time signal reflected from observed multipoint target during operation of radar system, and bench simulating test space-time signals reflected from observed multipoint target, for testing sample of radar system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9041587B2 (en) Apparatus and method for assisting vertical takeoff vehicles
US8624773B2 (en) Multidirectional target detecting system and method
US20160061948A1 (en) Moving Multi-Polarization Multi-Transmitter/Receiver Ground Penetrating Radar System and Signal Processing for Buried Target Detection
EP2909652B1 (en) Interferometric inverse synthetic aperture radar and method
RU2291464C2 (en) Mode of measuring of the position of targets at availability of reflections of received echo-signal from surface and an impulse surface three-coordinate radar station for its realization
US11965954B2 (en) Apparatus and method for monitoring objects in space
CN109765529B (en) Millimeter wave radar anti-interference method and system based on digital beam forming
CN111025256A (en) Method and system for detecting weak vital sign signals of airborne radar
Zhuge et al. UWB array-based radar imaging using modified Kirchhoff migration
CN114545401A (en) Space-time adaptive iterative super-resolution imaging method for airborne forward-looking array radar
Volosyuk et al. Optimal acquisition mode and signal processing algorithm in syntetic aperture radar
RU2539558C1 (en) Method of forming three-dimensional image of earth&#39;s surface and air environment using antenna array
RU2569843C1 (en) Method of forming three-dimensional image of earth&#39;s surface in on-board doppler radar station with linear antenna array
RU2529483C1 (en) Method for stealth radar location of mobile objects
Soloviev et al. Beam steering in Global Positioning System receivers using synthetic phased arrays
KR20220076469A (en) Radar Calibration and Space Object Tracking
JP5035782B2 (en) Split beam synthetic aperture radar
RU2379705C2 (en) Method of two-stage image recovery in multi-channel radio- and radio-ir-radars
CN115015925A (en) Airborne array radar super-resolution forward-looking imaging method and device based on improved matching pursuit
RU2729459C1 (en) Method of determining spatial coordinates and speeds of objects using a scanning multiposition radio system
RU2316786C1 (en) Mode of observation over the surface and air situation on a multi-channel radar basis
RU2464680C1 (en) Method of increasing resolution of phased antenna array of on-board system
CA3045206A1 (en) Synthetic aperture radar method and synthetic aperture radar system
RU2316019C1 (en) Method for measurement of object altitude on the basis of multichannel radar
Schoor et al. Local and global calibration for high-resolution DOA estimation in automotive radar

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20151106