RU2796220C1 - Method for radar monopulse measurement of range and radial velocity of targets when sounding with a signal with linear frequency modulation - Google Patents
Method for radar monopulse measurement of range and radial velocity of targets when sounding with a signal with linear frequency modulation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2796220C1 RU2796220C1 RU2022127219A RU2022127219A RU2796220C1 RU 2796220 C1 RU2796220 C1 RU 2796220C1 RU 2022127219 A RU2022127219 A RU 2022127219A RU 2022127219 A RU2022127219 A RU 2022127219A RU 2796220 C1 RU2796220 C1 RU 2796220C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- frequency
- range
- target
- probing
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к радиолокации и может использоваться в радиолокационных станциях (РЛС) для определения дальности и радиальной скорости целей.The invention relates to radar and can be used in radar stations (RLS) to determine the range and radial velocity of targets.
Известен способ (аналог) совместного измерения дальности и скорости целей на основе совместной оценки запаздывания и доплеровского смещения частоты принятого сигнала [Теоретические основы радиолокации. Под ред. В.Е. Дулевича. М.: Сов. радио, 1978. 608 с. С. 250-251.], заключающийся в нахождении значений степени корреляции принятого эхо-сигнала РЛС с множеством опорных сигналов для всех возможных значений задержки (дальности) и доплеровской частоты (скорости). В качестве результирующих оценок дальности и скорости принимаются те, при которых корреляционная функция принимает максимальное значение.A known method (analogue) of joint measurement of the range and speed of targets based on a joint estimate of the delay and Doppler frequency shift of the received signal [Theoretical foundations of radar. Ed. V.E. Dulevich. M.: Sov. radio, 1978. 608 p. S. 250-251.], which consists in finding the values of the degree of correlation of the received radar echo signal with a set of reference signals for all possible values of delay (range) and Doppler frequency (velocity). As the resulting range and speed estimates, those are taken for which the correlation function takes the maximum value.
Способ позволяет при использовании сигнала с фазовой кодовой манипуляцией (ФКМ) получать несмещенные оценки дальности и скорости цели при зондировании одиночным импульсом [Радиотехнические системы: учебное пособие для бакалавриата и магистратуры / под ред. М.Ю. Застела. М.: Издательство Юрайт, 2019. 495 с. С. 189-193]. Однако недостаток способа заключается в том, что обработка ФКМ сигнала связана с необходимостью применения широкополосных приемных устройств и высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей, обеспечивающих его усиление на промежуточной частоте и дальнейшую оцифровку сигнала в полосе, равной ширине спектра зондирующего сигнала, которая может достигать десятков и сотен мегагерц, что предъявляет высокие требования к частотным характеристикам элементов тракта промежуточной частоты приемных устройств и производительности устройств цифровой обработки сигналов РЛС.The method allows, when using a signal with phase code keying (PCM), to obtain unbiased estimates of the range and speed of the target when probing with a single pulse [Radio systems: textbook for undergraduate and graduate students / ed. M.Yu. Stela. M.: Yurait Publishing House, 2019. 495 p. S. 189-193]. However, the disadvantage of this method lies in the fact that the processing of the PCM signal is associated with the need to use broadband receivers and high-speed analog-to-digital converters that provide its amplification at an intermediate frequency and further digitization of the signal in a band equal to the bandwidth of the probing signal, which can reach tens and hundreds megahertz, which places high demands on the frequency characteristics of the elements of the intermediate frequency path of the receiving devices and the performance of the radar digital signal processing devices.
Известен способ (аналог) совместного определения дальности и скорости цели на основе сигнала с симметричным законом линейной частотной модуляции (ЛЧМ) зондирующего сигнала [Винницкий А.С. Очерк основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн. М.: Сов. радио, 1961. 495 с. С. 184-194]. Способ заключается в зондировании цели непрерывным ЛЧМ сигналом с возрастающей и убывающей частотой в смежных периодах зондирования, приеме отраженных от цели сигналов, их демодуляции, осуществляемой путем перемножения с зондирующим сигналом, с последующим определением в каждом из периодов зондирования частот разностных сигналов на выходе перемножителя и расчетом по их разности значений доплеровской частоты (скорости) и дальности до цели.A known method (analogue) of the joint determination of the range and speed of the target based on a signal with a symmetric law of linear frequency modulation (chirp) of the probing signal [Vinnitsky A.S. Essay on the fundamentals of radar with continuous radiation of radio waves. M.: Sov. radio, 1961. 495 p. S. 184-194]. The method consists in probing the target with a continuous chirp signal with increasing and decreasing frequency in adjacent probing periods, receiving the signals reflected from the target, demodulating them by multiplying with the probing signal, followed by determining in each of the probing periods the frequencies of the difference signals at the output of the multiplier and calculating by their difference in the values of the Doppler frequency (velocity) and the distance to the target.
Недостаток способа заключается в необходимости проведения нескольких зондирований с разными периодами модуляции для устранения неоднозначностей измерения дальности и скорости при одновременном наблюдении нескольких целей.The disadvantage of this method lies in the need to conduct several soundings with different modulation periods to eliminate ambiguities in the measurement of range and speed while simultaneously observing several targets.
Известен способ (прототип) измерения дальности и скорости целей [Винницкий А.С. Очерк основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн. М.: Сов. радио, 1961. 495 с. С. 197], заключающийся в зондировании цели с сигналом с несимметричной ЛЧМ, с последующим приемом эхо-сигнала, его демодуляции, осуществляемой путем перемножения с зондирующим сигналом, определением частоты сигнала биений на выходе перемножителя и расчетом по ее значению дальности до цели.A known method (prototype) for measuring the range and speed of targets [Vinnitsky A.S. Essay on the fundamentals of radar with continuous radiation of radio waves. M.: Sov. radio, 1961. 495 p. P. 197], which consists in probing a target with a signal with an asymmetric chirp, followed by receiving an echo signal, demodulating it by multiplying it with a probing signal, determining the frequency of the beat signal at the output of the multiplier and calculating the distance to the target from its value.
Недостаток способа заключается в том, что при моноимпульсном методе радиолокации, заключающемся в зондировании цели в течении одного периода модуляции, невозможно одновременное получение несмещенных оценок дальности и скорости цели, что обусловливает их низкую точность, особенно при больших скоростях цели.The disadvantage of this method is that with a monopulse radar method, which consists in sounding a target during one modulation period, it is impossible to simultaneously obtain unbiased estimates of the target range and speed, which leads to their low accuracy, especially at high target speeds.
Технический результат данного изобретения состоит в повышении точности моноимпульсного измерения дальности и радиальной скорости целей при использовании зондирующего сигнала с линейной частотной модуляцией.The technical result of this invention is to improve the accuracy of monopulse measurement of range and radial velocity of targets using a probing signal with linear frequency modulation.
Технический результат достигается тем, что в известном способе, заключающемся в зондировании цели сигналом с несимметричной ЛЧМ, приеме эхо-сигнала, его демодуляции, осуществляемой путем перемножения с зондирующим сигналом, определении частоты сигнала биений на выходе перемножителя, дополнительно производят оценку девиации частоты сигнала биений Δƒб, вычисляют по ее значению доплеровскую частоту иThe technical result is achieved by the fact that in the known method, which consists in probing the target with a signal with an asymmetric chirp, receiving an echo signal, demodulating it by multiplying it with a probing signal, determining the frequency of the beat signal at the output of the multiplier, additionally estimate the frequency deviation of the beat signal Δƒ b , calculate the Doppler frequency from its value and
скорость цели, осуществляют устранение вторичной ЛЧМ в сигнале биений для чего формируют корректирующий ЛЧМ сигнал с периодом, равным периоду модуляции зондирующего сигнала и девиацией, равной Δƒ/б, производят перемножение корректирующего сигнала с сигналом биений, после чего вычисляют преобразование Фурье, определяют частоту основной гармоники спектра и корректируют ее значение с учетом величины доплеровской частоты с последующим вычислением несмещенной оценки измерения дальности до цели.target speed, the elimination of the secondary chirp in the beat signal is carried out, for which a corrective chirp signal is formed with a period equal to the modulation period of the probing signal and a deviation equal to Δƒ/ b , the correction signal is multiplied with the beat signal, after which the Fourier transform is calculated, the frequency of the fundamental harmonic is determined spectrum and correct its value taking into account the value of the Doppler frequency with the subsequent calculation of the unbiased estimate of the measurement of the range to the target.
Сущность способа состоит в следующем. Определение дальности и скорости цели в РЛС с непрерывным излучением основано на анализе частотных параметров сигнала биений (разностной частоты), формируемого путем демодуляции принятого сигнала, осуществляемой перемножением принятого эхо-сигнала с зондирующим сигналом.The essence of the method is as follows. Determining the range and speed of a target in a radar with continuous radiation is based on the analysis of the frequency parameters of the beat signal (difference frequency) generated by demodulating the received signal by multiplying the received echo signal with the probing signal.
Зондирующий ЛЧМ сигнал с несимметричным законом модуляции имеет видThe probing chirp signal with an asymmetric modulation law has the form
где j - мнимая единица; - амплитуда, начальная частота, скорость изменения частоты ЛЧМ, начальная фаза, ширина спектра и период модуляции зондирующего сигнала соответственно.Where j - imaginary unit; - amplitude, initial frequency, frequency change rate of the chirp, initial phase, spectrum width and modulation period of the probing signal, respectively.
Принятый эхо-сигнал представляет собой зондирующий сигнал, задержанный на время .The received echo signal is a probing signal delayed by a time .
где - амплитудой эхо-сигнала, определяемая величиной эффективнойWhere - amplitude of the echo signal, determined by the value of the effective
площади рассеяния цели и характеристиками трассы распространения сигнала. Время задержки определяется дальностью до цели в соответствии с выражением: где с - скорость света. Принимая во внимание, что за время наблюдения цели в течение одиночного зондирования ее скорость изменяется незначительно и представляя закон изменения дальности линейной функцией вида где - начальная дальность до цели и ее скорость соответственно, то результатом перемножения сигналов (1) и (2) является сигнал биений, нормированное выражение для которого без учета амплитудной составляющей имеет видtarget scattering area and characteristics of the signal propagation path. Delay time determined by the distance to the target according to the expression: where c is the speed of light. Taking into account that during the observation time of the target during a single sounding, its speed changes insignificantly and representing the law of range change as a linear function of the form Where are the initial range to the target and its speed, respectively, then the result of multiplying signals (1) and (2) is a beat signal, the normalized expression for which, without taking into account the amplitude component, has the form
где - операция комплексного сопряжения; - начальная фаза; Where - complex conjugation operation; - initial phase;
Фазовый компонент Θ0 представляет собой начальную фазу не зависящую от времени и в дальнейшем может не учитываться. Линейный фазовый компонент определяет частоту сигнала биений и является информативным параметром для вычисления дальности до цели. Квадратичный фазовый компонент характеризует девиацию частоты сигнала биений (вторичной ЛЧМ) и обусловлен движением цели в течение отдельного периода модуляции.The phase component Θ 0 is the initial phase independent of time and can be ignored in the future. Linear phase component determines the frequency of the beat signal and is an informative parameter for calculating the range to the target. Quadratic phase component characterizes the frequency deviation of the beat signal (secondary chirp) and is due to the movement of the target during a separate modulation period.
Анализ фазового компонента показывает, что частота сигнала биений определяется дальностью до цели и смещена на величину доплеровской частоты сигнала определяемой скоростью цели.Phase component analysis shows that the frequency of the beat signal is determined by the distance to the target and is shifted by the value of the Doppler frequency of the signal determined by the speed of the target.
Учитывая, что величины фазовых компонентов имеют намного меньший порядок по сравнению с другими величинами, а также то, что фазовый компонент не является информативным, то выражение (3) можно записать какConsidering that the values phase components have a much lower order compared to other quantities, and also the fact that the phase component is not informative, expression (3) can be written as
где Where
Сигнал (4) представляет собой ЛЧМ колебание с начальной частотой и девиацией, равной . Тогда получение совместных оценок дальности и скорости сводится к совместной оценке компонентов , которая может быть осуществлена, например, с использованием методов корреляционного или спектрального анализа.Signal (4) is a chirp oscillation with initial frequency and a deviation equal to . Then obtaining joint estimates of the range and speed is reduced to a joint estimate of the components , which can be carried out, for example, using the methods of correlation or spectral analysis.
По найденному значению оценки девиации частоты сигнала биений получают оценку скорости цели в соответствии с выражениемAccording to the found value of the estimate of the frequency deviation of the beat signal get an estimate of the speed of the target in accordance with the expression
Затем осуществляют устранение девиации (вторичной ЛЧМ) в сигнале биений для чего формируют корректирующий ЛЧМ сигнал в соответствии с выражениемThen the deviation (secondary chirp) is eliminated in the beat signal, for which a corrective chirp signal is formed in accordance with the expression
где - крутизна ЛЧМ корректирующего сигнала.Where - steepness of the chirp of the corrective signal.
Перемножение сигнала биений с корректирующим сигналом позволяет устранить девиацию частоты (вторичную ЛЧМ) в сигнале биений.Beat signal multiplication with corrective signal allows you to eliminate the frequency deviation (secondary chirp) in the beat signal.
После нахождения спектра полученного сигнала определяют частоту основной гармоникиAfter finding the spectrum of the received signal, the frequency of the fundamental harmonic is determined
где - оператор преобразования Фурье.Where is the Fourier transform operator.
И далее на ее основе вычисляют оценку дальности до цели, скорректированную на величину ее смещения, обусловленного наличием доплеровской частотыAnd then, based on it, an estimate of the range to the target is calculated, corrected for the value of its displacement, due to the presence of the Doppler frequency
где - оценка доплеровской частоты.Where - Doppler frequency estimation.
Таким образом, дополнительный анализ параметров девиации частоты сигнала биений позволяет получить совместные несмещенные оценки скорости и дальности до цели, что обеспечивает повышение точности моноимпульсного измерения дальности и радиальной скорости целей при использовании зондирующего сигнала с линейной частотной модуляцией.Thus, an additional analysis of the frequency deviation parameters of the beat signal makes it possible to obtain joint unbiased estimates of the velocity and range to the target, which improves the accuracy of single-pulse measurement of the range and radial velocity of targets when using a probing signal with linear frequency modulation.
Предложенный способ может применяться для однозначного определения дальности и скорости одновременно нескольких целей, находящихся в луче диаграммы направленности РЛС.The proposed method can be used to unambiguously determine the range and speed of several targets simultaneously located in the radar beam.
Вариант устройства, реализующего предложенный способ, может быть выполнен на основе известных радиотехнических элементов, выпускаемых промышленностью.A variant of the device that implements the proposed method can be made on the basis of well-known radio engineering elements manufactured by the industry.
Устройство состоит из опорного генератора 1, частотного модулятора 2, передающего устройства 3, передающей антенны 4, приемной антенны 5, приемного устройства 6, набора корреляторов 7, устройства поиска положения максимума 8, вычислителя скорости цели 9, вычислителя дальности цели 10, устройства индикации 12, устройства управления и синхронизации 12. Каждый коррелятор в наборе корреляторов 7 включает в себя формирователь корректирующего сигнала 13, перемножитель 14 и вычислитель спектра 15.The device consists of a
Представленный на фигуре вариант устройства, реализующего предлагаемый способ радиолокационного моноимпульсного измерения дальности и радиальной скорости целей при зондировании сигналом с линейной частотной модуляцией, функционирует следующим образом.The version of the device shown in the figure, which implements the proposed method of radar monopulse measuring the range and radial velocity of targets when sounding with a signal with linear frequency modulation, functions as follows.
Опорный генератор 1 вырабатывает стабильное гармоническое колебание на основе которого формируются несущая частота зондирующего сигнала. Частотный модулятор 2 по сигналу устройства управления и синхронизации 12 формирует зондирующий ЛЧМ сигнал, который после переноса на несущую частоту в передающем устройстве 3 излучается в пространство передающей антенной 4. Приемная антенна 5 принимает отраженный от цели сигнал, который поступает на вход приемного устройства 6, где перемножается с зондирующим, в результате на его выходе формируется сигнал биений Sб(t), начальная частота которого пропорциональна дальности до цели, а девиация - скорости цели. В связи с тем, что скорость цели и, соответственно, девиация частоты сигнала биений априорно неизвестны, то их определение осуществляется корреляционным методом с использованием набора корреляторов 7. Количество корреляторов в наборе N определяется требуемой точностью измерения скорости цели как , где - максимальная радиальная скорость целиThe
Формирователь корректирующего сигнала 13 в каждом i-м корреляторе в начале каждого зондирования по сигналу с выхода устройства управления и синхронизации 12 осуществляют формирование ЛЧМ сигнала с различной девиацией The
где - скорость изменения ЛЧМ i-го корректирующего сигнала.Where - the rate of change of the chirp of the i-th corrective signal.
Значения определяются исходя из диапазона измеряемых скоростей цели как где Values are determined based on the range of measured target speeds as Where
Сигнал с выхода формирователя корректирующего сигнала 13 поступает на вход перемножителя 14, где перемножается с сигналом . Результат перемножения поступает на вычислитель спектра 15. Уровень и ширина спектральной составляющей на его выходе будет иметь максимальную амплитуду и минимальную ширину при совпадении девиаций частоты корректирующего сигнала и сигнала биений. Поэтому для получения оценок и полученные спектры с выходов вычислителей спектра 15 каждого из корреляторов поступают на устройство поиска положения максимума 8. На его выходе по значению номера коррелятора имеющего максимальную амплитуду спектральной составляющей формируются оценки За оценку принимается значение частоты спектральной составляющей на выходе коррелятора, имеющего максимальный ее уровень, а за оценку - значение девиации формирователя корректирующего сигнала 13 этого коррелятора. По найденному значению в вычислителе скорости цели 9 в соответствии с (5) рассчитывают скорость цели . Полученная оценка скорости цели поступает на вычислитель дальности цели 10, в котором в соответствии с (8) рассчитывают величину доплеровского смещения и дальность до цели The signal from the output of the
Рассчитанные значения скорости и дальности цели поступают на устройство индикации 11 для их дальнейшего отображения.Calculated speed values and target range arrive at the
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2796220C1 true RU2796220C1 (en) | 2023-05-18 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2444757C1 (en) * | 2010-07-28 | 2012-03-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) | Device for determination of coordinates of moving targets |
RU2460087C2 (en) * | 2010-10-28 | 2012-08-27 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственная фирма "Микран" | Radar station with wideband continuous linearly frequency-modulated radiation |
EP3088913A1 (en) * | 2015-04-29 | 2016-11-02 | Zodiac Data Systems | Method for tracking a moving target using an a priori model |
US20170023670A1 (en) * | 2015-07-22 | 2017-01-26 | Nxp B.V. | Radar system |
RU2635366C1 (en) * | 2016-10-11 | 2017-11-13 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method of target range and radial speed in radar station with continuous radiation determination and its realizing device |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2444757C1 (en) * | 2010-07-28 | 2012-03-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева (НГТУ) | Device for determination of coordinates of moving targets |
RU2460087C2 (en) * | 2010-10-28 | 2012-08-27 | Закрытое акционерное общество "Научно-производственная фирма "Микран" | Radar station with wideband continuous linearly frequency-modulated radiation |
EP3088913A1 (en) * | 2015-04-29 | 2016-11-02 | Zodiac Data Systems | Method for tracking a moving target using an a priori model |
US20170023670A1 (en) * | 2015-07-22 | 2017-01-26 | Nxp B.V. | Radar system |
RU2635366C1 (en) * | 2016-10-11 | 2017-11-13 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method of target range and radial speed in radar station with continuous radiation determination and its realizing device |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
М.В. Ронкин "Методы повышения точности обработки информации в локационных информационно-измерительных системах", Екатеринбург, 2020, стр. 127. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7667637B2 (en) | System and method for radar detection of an object | |
US4271412A (en) | Range tracker utilizing spectral analysis | |
US6646587B2 (en) | Doppler radar apparatus | |
US6232913B1 (en) | Method and system for measuring radar reflectivity and doppler shift by means of a pulse radar | |
US10557933B2 (en) | Radar device and position-determination method | |
US5442359A (en) | Apparatus and method for mitigating range-doppler ambiguities in pulse-doppler radars | |
US5252980A (en) | Target location system | |
US9983294B2 (en) | Radar system | |
US7528768B2 (en) | Radar device | |
US8599062B2 (en) | Object detection with multiple frequency chirps | |
KR20070009388A (en) | Distance measuring device, distance measuring method and distance measuring program | |
JP5660973B2 (en) | Radar equipment | |
CN108287335A (en) | A method of ranging and range rate being carried out to multiple target using the frequency modulated signal of LFMCW radars | |
JP6164918B2 (en) | Radar equipment | |
RU2410650C2 (en) | Method to measure level of material in reservoir | |
JP2011237338A (en) | Radar device | |
RU2486540C1 (en) | Simulator of false radar target during linear frequency-modulated signal probing | |
RU2796220C1 (en) | Method for radar monopulse measurement of range and radial velocity of targets when sounding with a signal with linear frequency modulation | |
RU59262U1 (en) | DEVICE FOR DETERMINING THE PLACE OF DAMAGE TO ELECTRIC TRANSMISSION LINES AND COMMUNICATIONS | |
RU2669016C2 (en) | Doppler ground velocity meter | |
RU2699240C1 (en) | Method of determining coordinates of target in radar station with continuous emission | |
RU2431155C1 (en) | Method of measuring distance by range finder with frequency modulation of sounding radio waves | |
RU2399888C1 (en) | Method of measuring level of material in reservoir | |
JP2013113723A (en) | Radar system | |
Jha et al. | Ka-Band FMCW Radar Altimeter for Navigation |