RU2597221C1 - Method of measuring range of target in short-range radiolocation - Google Patents
Method of measuring range of target in short-range radiolocation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2597221C1 RU2597221C1 RU2015150441/07A RU2015150441A RU2597221C1 RU 2597221 C1 RU2597221 C1 RU 2597221C1 RU 2015150441/07 A RU2015150441/07 A RU 2015150441/07A RU 2015150441 A RU2015150441 A RU 2015150441A RU 2597221 C1 RU2597221 C1 RU 2597221C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- range
- signal
- target
- received
- measuring
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Данное изобретение относится к области ближней радиолокации, в частности к радиолокационным станциям (РЛС) ближнего действия, в которых применяются цифровые методы обработки сигналов. К радиолокаторам ближнего действия можно отнести обнаружители заглубленных в грунт объектов или объектов за преградой. Уменьшения затухания радиоволн в среде, как правило, достигают использованием зондирующих сигналов с частотой порядка десятков-сотен мегагерц. Точность определения дальности до цели δr определяется известным отношением элемента разрешения ΔR к отношению сигнал-шум (ОСШ) q [1, с. 65]:This invention relates to the field of short-range radar, in particular to short-range radar (radar) in which digital signal processing methods are used. The short-range radars include detectors of objects buried in the ground or objects beyond the barrier. Reducing the attenuation of radio waves in the medium, as a rule, is achieved by using sounding signals with a frequency of the order of tens to hundreds of megahertz. The accuracy of determining the distance to the target δr is determined by the known ratio of the resolution element ΔR to the signal-to-noise ratio (SNR) q [1, p. 65]:
Указанный способ показывает, как повысить точность измерения дальности до цели, не прибегая к расширению полосы сигнала для улучшения разрешающей способности.This method shows how to increase the accuracy of measuring the range to the target, without resorting to expanding the signal band to improve resolution.
При цифровой обработке сигналов вследствие теоремы Котельникова для восстановления принятого эхо-сигнала требуется формирование двух отсчетов цифрового сигнала на элемент разрешения [2, с. 187], то есть , td - период дискретизации сигнала, - ширина спектра сигнала. Что является предельным случаем теоремы Котельникова, и координата цели по дальности будет определяться с точностью до элемента разрешения. Как показано в [3, с. 51], использование низкой частоты дискретизации повышает уровень боковых лепестков сжатого в согласованном фильтре эхо-сигнала и ухудшает элемент разрешения по дальности.When digital processing of signals due to Kotelnikov’s theorem, the restoration of the received echo signal requires the formation of two samples of a digital signal per resolution element [2, p. 187], that is , t d is the sampling period of the signal, - signal spectrum width. What is the limiting case of the Kotelnikov theorem, and the target coordinate in range will be determined accurate to the resolution element. As shown in [3, p. 51], the use of a low sampling rate increases the level of the side lobes of the compressed echo in the matched filter and degrades the range resolution element.
Традиционными методами измерения дальности являются измерение по переднему фронту импульса, то есть измерение пересечения передним фронтом импульса некоторого порогового уровня [4, с. 555], либо измерение при использовании селектирующих сигналов и согласованных фильтров [4, с. 556]. Однако данные хорошо известные методы не учитывают особенностей сигналов в РЛС при их дискретизации.Traditional methods of measuring range are measuring along the leading edge of the pulse, that is, measuring the intersection of the leading edge of the pulse by a certain threshold level [4, p. 555], or measurement using selective signals and matched filters [4, p. 556]. However, these well-known methods do not take into account the characteristics of the signals in the radar when they are discretized.
Увеличение точности определения дальности может быть достигнуто применением способов сверхразрешения [например, 5, с. 139-147], однако данные методы требуют знания большого количества априорной информации о сигнале, которая в реальных условиях может отсутствовать.An increase in the accuracy of determining the range can be achieved by applying superresolution methods [for example, 5, p. 139-147], however, these methods require knowledge of a large amount of a priori information about the signal, which in real conditions may be absent.
В качестве прототипа заявляемого способа обработки сигналов выбран медианный метод оценки времени задержки сигнала [6, с. 164]. Для реализации данного метода на устройство сравнения подаются функция огибающей сигнала U(t) от цели по дальности и функция двух сомкнутых стробов u(t-t0), асимметричных по отношению к точке t0 (фиг. 1). Далее производится сравнение площадей S1 и S2 под U(t).As a prototype of the proposed signal processing method, the median method for estimating the signal delay time was selected [6, p. 164]. To implement this method, the function of the envelope of the signal U (t) from the target in range and the function of two closed gates u (tt 0 ) asymmetric with respect to the point t 0 (Fig. 1) are supplied to the comparison device. Next, the areas S 1 and S 2 are compared under U (t).
Медианной оценке времени задержки сигнала по дальности соответствует положение t0, при котором S1-S2=0. Недостатком данного метода является уменьшение точности измерения при уменьшении частоты дискретизации принимаемых колебаний в соответствии с обобщенной теоремой Котельникова.The median estimate of the range delay time corresponds to the position t 0 at which S 1 -S 2 = 0. The disadvantage of this method is the decrease in measurement accuracy while reducing the sampling frequency of the received oscillations in accordance with the generalized Kotelnikov theorem.
Ранние источники утверждают [7, с. 99], что повысить точность измерения дальности до цели можно, используя информацию, содержащуюся в сигнале высокой частоты. Однако данная информация редко используется из-за возникающей неоднозначности измерений.Early sources claim [7, p. 99], that it is possible to increase the accuracy of measuring the range to the target using the information contained in the high-frequency signal. However, this information is rarely used due to the ambiguous measurement.
Смещение цели относительно РЛС по дальности характеризуется непрерывным изменением фазы сигнала. Изменение фазы принимаемых колебаний на 2π означает, что расстояние до цели изменилось на величину, равную длине волны зондирующего сигнала λ. При цифровой обработке сигнала максимально возможная точность измерения дальности определяется расстоянием Δl, соответствующим периоду дискретизации . То есть , где - частота дискретизации сигнала, причем изменение дальности до цели на расстояние меньшее Δl невозможно отследить. Определить изменение фазы сигнала при его перемещении на расстояние Δl можно, используя соотношение:The target offset relative to the radar in range is characterized by a continuous change in the phase of the signal. A change in the phase of the received oscillations by 2π means that the distance to the target has changed by an amount equal to the wavelength of the probing signal λ. In digital signal processing, the maximum possible range accuracy is determined by the distance Δl corresponding to the sampling period . I.e where - the sampling frequency of the signal, and the change in range to the target at a distance less than Δl cannot be tracked. To determine the phase change of the signal when it moves to a distance Δl, you can use the relation:
где k=2π/λ - волновое число, - центральная частота зондирующего сигнала.where k = 2π / λ is the wave number, - the center frequency of the probing signal.
Величина φΔl показывает смещение фазы сигнала при изменении задержки отраженного от цели сигнала на dt, при этом сама форма дискретного сигнала также изменится. Фаза принимаемых колебаний определяется расположением цели по дальности. Для измерения дальности до цели с точностью выше Δl сформируем опорный сигнал в дискретные моменты времени, совпадающие с выборками АЦП, огибающая которого повторяет форму огибающей зондирующего сигнала, начальная фаза высокочастотного заполнения с частотой равна 0. Значит, вычисляя разность фаз Δφ опорного сигнала (с нулевой фазой) и сигнала, отраженного от цели, истинное положение которого соответствует временной задержке между двумя соседними дискретными выборками сигнала, можно определить смещение принятого сигнала внутри интервала dt.The value φ Δl shows the phase shift of the signal when the delay of the signal reflected from the target changes by dt, while the shape of the discrete signal itself also changes. The phase of the received oscillations is determined by the location of the target in range. To measure the distance to the target with an accuracy higher than Δl, we will generate a reference signal at discrete time instants that coincide with ADC samples, the envelope of which follows the shape of the envelope of the probe signal, the initial phase of high-frequency filling with frequency is 0. Therefore, by calculating the phase difference Δφ of the reference signal (with zero phase) and the signal reflected from the target, the true position of which corresponds to the time delay between two adjacent discrete samples of the signal, it is possible to determine the offset of the received signal within the interval dt.
Для измерения удобно использовать схему измерения разности фаз Δφ, аналогичную описанной в [8, с. 373], тогда Δφ будет вычисляться по формуле:For measurement, it is convenient to use a phase difference measurement circuit Δφ similar to that described in [8, p. 373], then Δφ will be calculated by the formula:
где суммирование производится по n дискретным выборкам сигналов, s1 - опорный сигнал, s2 - эхо-сигнал от цели, выражение соответствует преобразованию Гильберта сигнала s2. То есть величина Δφ дает поправку к координате цели по дальности относительно измеренной дальности до цели. Разность фаз Δφ определяет разность хода двух электромагнитных колебаний, длина волны λ которых известна, поэтому поправка к дальности Δr вычисляется по формуле:where the summation is made over n discrete samples of signals, s 1 - reference signal, s 2 - echo signal from the target, expression It corresponds to the Hilbert transform of the signal s 2. That is, the value Δφ gives an adjustment to the coordinate of the target in range relative to the measured range to the target. The phase difference Δφ determines the path difference of two electromagnetic waves whose wavelength λ is known, therefore, the range correction Δr is calculated by the formula:
. .
Техническим результатом является повышение точности измерения дальности цели с помощью вычисления поправки к дальности Δr, позволяющей избежать ошибок, связанных с временной дискретизацией сигнала.The technical result is to increase the accuracy of measuring the range of the target by calculating the correction to the range Δr, which avoids errors associated with temporal sampling of the signal.
Для обнаружения сигнала по дальности, как правило, используется фильтр, согласованный с опорным сигналом, максимизирующий ОСШ. Рассмотрим преобразование в таком фильтре двух отраженных от цели простых гармонических сигналов, дискретизованных по времени и сдвинутых по фазе относительно друг друга на 50°. Как видно на фиг. 2а, фазовые структуры корреляционных функций данных сигналов с опорным различны, но в результате усреднения данных функций для измерения дальности (фиг. 2б) получим максимумы функций, совмещенные в одной временной выборке, то есть на одной дальности.To detect a signal by range, as a rule, a filter is used that is consistent with the reference signal, maximizing the SNR. Consider the conversion in such a filter of two simple harmonic signals reflected from the target, discretized in time and shifted in phase by 50 ° relative to each other. As seen in FIG. 2a, the phase structures of the correlation functions of these signals with the reference are different, but as a result of averaging these functions for measuring the range (Fig. 2b), we obtain the function maxima combined in one time sample, that is, at the same range.
Автокорреляционная функция опорного сигнала дает нам сигнал без сдвига на измеренной дальности, относительно которого измеряется поправка Δφ в соответствии с формулой (2). На фиг. 3 показан график зависимости ошибки измерения разности фаз от разности фаз двух сигналов. Как видно из графика, при больших ОСШ ошибка измерения разности фаз незначительна.The autocorrelation function of the reference signal gives us a signal without a shift at the measured range, relative to which the correction Δφ is measured in accordance with formula (2). In FIG. 3 shows a graph of the dependence of the measurement error of the phase difference on the phase difference of the two signals. As can be seen from the graph, for large SNR the error in measuring the phase difference is negligible.
В пересчете на поправку Δr с ОСШ=20 дБ (фиг. 4) дисперсия ошибки измерения дальности составляет порядка 0,05 м. Измерение дальности только амплитудным методом по максимуму корреляционной функции при выбранной ширине спектра зондирующего сигнала Δf=30 МГц дает точность измерения, равную δr≈0,5 м, согласно (1). То есть использование измерения разности фаз повышает точность измерения дальности в 10 раз.In terms of the correction Δr with SNR = 20 dB (Fig. 4), the variance of the range measurement error is of the order of 0.05 m. Range measurement only by the amplitude method for the maximum correlation function for the selected spectrum width of the probing signal Δf = 30 MHz gives a measurement accuracy equal to δr≈0.5 m, according to (1). That is, the use of phase difference measurement increases the accuracy of range measurement by 10 times.
Для уточнения координаты цели по дальности фазовым методом необходимо учитывать соотношение размеров одного интервала между дискретными выборками сигнала по дальности и длины волны сигнала. Однозначное измерение фазы возможно при соблюдении условия φΔl<π/2, которое, используя соотношение (1), можно переписать в виде:To clarify the coordinates of the target in range by the phase method, it is necessary to take into account the ratio of the sizes of one interval between discrete samples of the signal in range and wavelength of the signal. An unambiguous phase measurement is possible under the condition φ Δl <π / 2, which, using relation (1), can be rewritten in the form:
В случае, когда изменение фазы отраженного от цели сигнала при перемещении на расстояние, соответствующее одной дискретной выборке, превышает π/2, то есть условие (4) не выполняется, могут возникнуть аномально большие ошибки измерения дальности, что проявляется в перескоке фазы на π (фиг. 5). При известных параметрах сигнала максимальная разность фаз при переходе от выборки к выборке вычисляется по формуле (2), что позволяет учитывать подобные ошибки адаптивно.In the case when the phase change of the signal reflected from the target when moving a distance corresponding to one discrete sample exceeds π / 2, that is, condition (4) is not satisfied, anomalously large range measurement errors can occur, which is manifested in a phase jump of π ( Fig. 5). With known signal parameters, the maximum phase difference during the transition from sample to sample is calculated by formula (2), which allows one to take into account such errors adaptively.
Таким образом, выбор частоты дискретизации необходимо осуществлять для конкретных параметров сигнала. Рассмотрим зависимость ошибки измерения разности фаз сигналов для выбранной разности фаз, равной 20° от частоты дискретизации (фиг. 6). По данному графику можно определить интервалы частот дискретизации, при которых разность фаз измеряется наиболее точно. Более того, существуют интервалы, на которых измеренная фаза отличается от реальной знаком, то есть при изменении знака аргумента функции arctg() формулы (3), точное измерение фазы сигналов также возможно.Thus, the selection of the sampling frequency must be carried out for specific parameters of the signal. Consider the dependence of the error of measuring the phase difference of the signals for the selected phase difference equal to 20 ° from the sampling frequency (Fig. 6). From this graph, you can determine the sampling frequency intervals at which the phase difference is measured most accurately. Moreover, there are intervals at which the measured phase differs from the real sign, that is, when the sign of the argument of the function arctg () of formula (3) changes, an accurate measurement of the phase of the signals is also possible.
Сохранение фазовой структуры сигнала с целью дальнейшего уточнения координаты цели по дальности возможно при соблюдении условия выбора частоты дискретизации сигнала (4). Данное условие не соответствует условию обобщенной теоремы Котельникова, так как сильное влияние наложения спектров в значительной степени искажает фазовую структуру сигнала. Тем не менее, для частот дискретизации от и более с использованием соответствующей обработки для конкретных параметров сигнала можно смягчить данное условие. В результате, применяя фазовый метод уточнения координаты цели по дальности при больших ОСШ, можно повысить точность измерения дальности в 10 раз по сравнению с медианным методом измерения дальности, что особенно важно при определении координат цели в ближней радиолокации, где требования к точности измерения координат высоки.Saving the phase structure of the signal in order to further clarify the coordinates of the target in range is possible subject to the conditions for choosing the sampling frequency of the signal (4). This condition does not correspond to the condition of the generalized Kotel'nikov theorem, since the strong influence of the superposition of the spectra significantly distorts the phase structure of the signal. However, for sample rates from and more, using appropriate processing for specific signal parameters, this condition can be mitigated. As a result, using the phase method of refining the target coordinates in range at large SNRs, it is possible to increase the accuracy of range measurement by 10 times compared to the median method of measuring range, which is especially important when determining target coordinates in near radar, where the requirements for accuracy of coordinate measurement are high.
Литература:Literature:
1. Бартон Д. Радиолокационные системы. М.: Военное издательство, 1967, 480 с.1. Barton D. Radar systems. M .: Military publishing house, 1967, 480 p.
2. Антипов В.Н., Горяинов В.Т., Кулин А.Н. и др. Радиолокационные станции с цифровым синтезирванием апертуры антенны. М.: Радио и связь, 1988, 304 с.2. Antipov V.N., Goryainov V.T., Kulin A.N. et al. Radar stations with digital aperture synthesis aperture. M .: Radio and communications, 1988, 304 p.
3. Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. М.: Радио и связь, 1986. 352 с.3. Kuzmin S.Z. Fundamentals of designing systems for digital processing of radar information. M .: Radio and communications, 1986. 352 p.
4. Сколник М. Введение в технику радиолокационных систем. М: Мир, 1965, 748 с.4. Skolnik M. Introduction to the technique of radar systems. M: Mir, 1965, 748 p.
5. Чижов А.А., Лебедев А.С., Курочкин А.Н. Экспериментальные исследования эффективности проекционного метода сверхрэлеевского разрешения // Вопросы радиоэлектроники, серия РЛТ, выпуск 1, 2011, 139-147 сс.5. Chizhov A.A., Lebedev A.S., Kurochkin A.N. Experimental studies of the effectiveness of the projection method of super-Rayleigh resolution // Radio Electronics Issues, RLT Series,
6. Кузьмин С.З. Цифровая радиолокация. Киев: КВiЦ, 2000, 428 с.6. Kuzmin S.Z. Digital radar. Kiev: KViTS, 2000, 428 p.
7. Вудворд Ф.М. Теория вероятностей и теория информации с применениями в радиолокации. М.: Советское радио, 1955, 128 с.7. Woodward F.M. Probability theory and information theory with applications in radar. M .: Soviet Radio, 1955, 128 p.
8. Бурдик B.C. Анализ гидроакустических систем. Ленинград: Судостроение, 1988, 392 с.8. Burdick B.C. Analysis of sonar systems. Leningrad: Shipbuilding, 1988, 392 p.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015150441/07A RU2597221C1 (en) | 2015-11-24 | 2015-11-24 | Method of measuring range of target in short-range radiolocation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2015150441/07A RU2597221C1 (en) | 2015-11-24 | 2015-11-24 | Method of measuring range of target in short-range radiolocation |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2597221C1 true RU2597221C1 (en) | 2016-09-10 |
Family
ID=56892754
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2015150441/07A RU2597221C1 (en) | 2015-11-24 | 2015-11-24 | Method of measuring range of target in short-range radiolocation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2597221C1 (en) |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4377811A (en) * | 1981-01-07 | 1983-03-22 | Westinghouse Electric Corp. | Medium PRF pulse doppler radar having simplified ground moving target rejection capabilities |
US5485157A (en) * | 1994-10-11 | 1996-01-16 | Long; Maurice W. | Doppler radar detection system |
RU2147136C1 (en) * | 1997-03-12 | 2000-03-27 | Открытое акционерное общество "Фазотрон - научно - исследовательский институт радиостроения" | Helicopter-borne radar system |
RU2151407C1 (en) * | 1997-02-03 | 2000-06-20 | Открытое акционерное общество "Фазотрон-научно-исследовательский институт радиостроения" | Radar system |
US6137439A (en) * | 1998-09-08 | 2000-10-24 | Lockheed Martin Corporation | Continuous wave doppler system with suppression of ground clutter |
RU2168741C2 (en) * | 1995-08-04 | 2001-06-10 | Даймлеркрайслер Аг | Device for reduction of errors of motion for radar with synthesized aperture on the basis of rotatable antennas (rosar) for helicopters |
RU2230337C2 (en) * | 1991-05-20 | 2004-06-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Нижегородский Научно-Исследовательский Институт Радиотехники" | Signal processing device built into radar with phase arrays |
-
2015
- 2015-11-24 RU RU2015150441/07A patent/RU2597221C1/en active
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4377811A (en) * | 1981-01-07 | 1983-03-22 | Westinghouse Electric Corp. | Medium PRF pulse doppler radar having simplified ground moving target rejection capabilities |
RU2230337C2 (en) * | 1991-05-20 | 2004-06-10 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Нижегородский Научно-Исследовательский Институт Радиотехники" | Signal processing device built into radar with phase arrays |
US5485157A (en) * | 1994-10-11 | 1996-01-16 | Long; Maurice W. | Doppler radar detection system |
RU2168741C2 (en) * | 1995-08-04 | 2001-06-10 | Даймлеркрайслер Аг | Device for reduction of errors of motion for radar with synthesized aperture on the basis of rotatable antennas (rosar) for helicopters |
RU2151407C1 (en) * | 1997-02-03 | 2000-06-20 | Открытое акционерное общество "Фазотрон-научно-исследовательский институт радиостроения" | Radar system |
RU2147136C1 (en) * | 1997-03-12 | 2000-03-27 | Открытое акционерное общество "Фазотрон - научно - исследовательский институт радиостроения" | Helicopter-borne radar system |
US6137439A (en) * | 1998-09-08 | 2000-10-24 | Lockheed Martin Corporation | Continuous wave doppler system with suppression of ground clutter |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10670698B2 (en) | Radar device with phase noise estimation | |
US10371800B2 (en) | Radar device with noise cancellation | |
US7823446B2 (en) | Pulsed radar level gauging with relative phase detection | |
JP6177467B1 (en) | Radar operation with enhanced Doppler capability | |
CN113302459B (en) | Non-invasive open channel flowmeter | |
Ayhan et al. | Frequency estimation algorithm for an extended FMCW radar system with additional phase evaluation | |
JP6324327B2 (en) | Passive radar equipment | |
Hou et al. | An automatic SAR-GMTI algorithm based on DPCA | |
Lindner et al. | Distance measurements based on guided wave 24GHz dual tone six-port radar | |
WO2020076316A1 (en) | Phase doppler radar | |
Roca et al. | The EnviSat RA-2 instrument design and tracking performance | |
RU2410650C2 (en) | Method to measure level of material in reservoir | |
CN203177928U (en) | Echo sampling unit and pulse type radar material level meter with the same | |
RU2597221C1 (en) | Method of measuring range of target in short-range radiolocation | |
Macaveiu et al. | A method for building the range-Doppler map for multiple automotive radar targets | |
RU2423723C1 (en) | Method of measuring distance using radio range finder with frequency modulation of probing radio waves (versions) | |
RU2399888C1 (en) | Method of measuring level of material in reservoir | |
Kaminski et al. | K-band FMCW radar module with interferometic capability for industrial applications | |
JP2013113723A (en) | Radar system | |
US20230324537A1 (en) | Unambiguous and accurate velocity estimation by frequency-modulated radars | |
Dahl et al. | Evaluation of Range Doppler Processing Algorithms for Tank Level Probing Radar | |
JP4937782B2 (en) | Radar equipment | |
RU2792196C1 (en) | Method for measuring angular coordinates of moving objects with a doppler station | |
US11391832B2 (en) | Phase doppler radar | |
RU2783402C1 (en) | Method for processing radar signals for detecting targets and measuring their motion parameters in the selection zone and a radar sensor implementing it |