WO2016032361A1 - Радиолокационный способ и устройство для дистанционного измерения полного вектора скорости метеорологического объекта - Google Patents

Радиолокационный способ и устройство для дистанционного измерения полного вектора скорости метеорологического объекта Download PDF

Info

Publication number
WO2016032361A1
WO2016032361A1 PCT/RU2014/000649 RU2014000649W WO2016032361A1 WO 2016032361 A1 WO2016032361 A1 WO 2016032361A1 RU 2014000649 W RU2014000649 W RU 2014000649W WO 2016032361 A1 WO2016032361 A1 WO 2016032361A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
antenna
channel
channels
differential
signal
Prior art date
Application number
PCT/RU2014/000649
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Олег Валерьевич ВАСИЛЬЕВ
Алексей Алексеевич ЛАВРОВ
Евгений Сергеевич КОЛЕСНИКОВ
Михаил Георгиевич КИЗИЛОВ
Михаил Игоревич КАНЕВСКИЙ
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Концерн "Международные аэронавигационные системы"
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 Открытое акционерное общество "Концерн "Международные аэронавигационные системы" filed Critical Открытое акционерное общество "Концерн "Международные аэронавигационные системы"
Priority to PCT/RU2014/000649 priority Critical patent/WO2016032361A1/ru
Priority to RU2016101159/07A priority patent/RU2602274C1/ru
Publication of WO2016032361A1 publication Critical patent/WO2016032361A1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/95—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
    • G01S13/95—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications for meteorological use
    • G01S13/958—Theoretical aspects
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Definitions

  • the invention relates to the field of radar meteorological objects, in particular, to methods and devices for measuring the direction and speed of their movement, for example, to ensure the safety of aviation.
  • MO meteorological objects
  • the direction and magnitude of the total vector of the velocity of motion of the Moscow region in space are determined by the direction and magnitude of its three orthogonal components, of which the radial component coincides with the direction of radiation of the meteorological radar, and the other two, the vertical and horizontal components, lie in a plane orthogonal to direction of radiation.
  • a feature of measuring the total velocity vector of the MO using a radar is the practical difficulty of directly measuring its components orthogonal to the direction of radiation.
  • the Doppler frequency shift of the reflected radio signal is directly measured, the value of the radial component of the total velocity vector of the MO is calculated from the magnitude of this shift.
  • the radial components of the velocity are repeatedly measured at various points in a certain region of space according to the results of the observation of MO using one mobile meteorological radar and the average values of the orthogonal components of the velocity vector are calculated from them this area.
  • the full velocity vector is determined from the results of observing the MO with a complex of stationary multi-position meteorological radars located in a certain way for one observation interval (US, 2012/0086596, A1; US, 6070461, B1).
  • a special case of such systems are systems using one transmitter and multiple receivers of the radar signal (US, 5471211, B1), or a multipath antenna (US, 2011/0172920, A1).
  • the pulse signal generated by the pulse signal generator 1 modulates the carrier frequency of the transmitter 2.
  • the received radar probe signal is radiated into the space by the antenna 3 through the circulator 4.
  • the signal received by the antenna 3 reflected from the MO is sent through the circulator 4 to the receiver 5.
  • the receiver 5 amplifies the signal received by the antenna 3 and converts its carrier frequency to the base frequency, and the received signals reflected from the MO are resolved in range (separated by time their delays), highlighting in space the elements of MO resolution, limited by the antenna radiation pattern and allowed areas in range.
  • the output from the receiver 5 is fed to a signal processing device 6, which converts the input signal into digital form using an analog-to-digital converter 7.
  • the frequency spectrum of the received signal is calculated for each range resolution element and for the signal accumulation interval in time of duration T. For this spectrum, its average Doppler frequency shift is calculated. From the value of the average Doppler frequency shift, the value of the radial component of the velocity of motion of the MO located in the resolution element is calculated. In this case, the duration of the signal accumulation time interval T determines the frequency resolution of the device and, therefore, the accuracy of measuring the radial velocity component.
  • the disadvantage of this technical solution is the impossibility of measuring the full velocity vector of the MO located in the resolution element.
  • the aim of the present invention is to improve the accuracy of the remote assessment of the speed of MO detected by the radar in a range-resolved region of space, and to obtain the values of the three components of the full velocity vector of the MO using only one radar without scanning the antenna radiation pattern.
  • the technical task was to develop a method for remote radar measurement of the total velocity vector of MO based on measuring the spatial distribution of the radial velocity component of the reflecting sections of the MO within the beam of the radiation pattern without scanning, with the values of the three components of the full velocity vector of the MO using only one device for its implementation.
  • the expected technical result of the invention was the high accuracy and short measurement time of the components of the complete vector of the velocity of motion of the MO.
  • M values of the angle of signal arrival are determined by jointly processing the amplitudes of the frequency spectra of the signals of the total and measuring channels using the single-pulse method;
  • a meteorological radar for remote measurement of the full velocity vector of a meteorological object containing:
  • an antenna emitting a probing radar signal into space and receiving radio signals reflected from a meteorological object
  • a receiving device providing amplification, coherent detection of the received radio signals, inserting a range resolution channel in them in accordance with the time of their delay and digital conversion of the indicated reflected radio signals into the source data arrays in each corresponding receiving channel for the selected range resolution channel;
  • an antenna contains a monopulse goniometer antenna that provides reception of signals reflected from meteorological objects simultaneously in the total antenna radiation pattern and in two difference antenna radiation patterns, in vertical and horizontal planes, and equipped with a device for rotating these three antenna radiation patterns around the radiation axis of the probe signal ;
  • the receiving device contains three identical receiving channels, providing separate amplification, coherent detection of signals received, respectively, according to the specified total and differential radiation patterns of the antenna, highlighting the range resolution channel in accordance with the time of their delay, and digital conversion of the received radio signals in the source data arrays in each corresponding receiving channel for the selected range resolution channel;
  • the data processing device contains: - a block of digital filters, including M filters in each total, differential vertical and differential horizontal channels, providing narrow-band filtering of each specified array of source data in the corresponding receiving channel to obtain M values of the amplitudes of the frequency spectra of the radio signals for the selected range resolution channel;
  • Fig L is a diagram of a known meteorological radar (prior art).
  • Fig. 3 is a diagram of a meteorological radar according to the invention.
  • Figure 4 cross section of the total and differential radiation patterns of the antenna in the horizontal plane
  • Fig. 8 is a diagram of the application of the linear regression analysis method for approximating the dependence of the measured values of the angles of arrival of signals on their frequency;
  • Fig.9 the calculated values of the components of the velocity vector of the MO depending on the accuracy of measuring the angle of arrival of the signals (simulation).
  • the radar method for remote measurement of the full velocity vector of a meteorological object according to the invention is intended to determine the speed of a meteorological object, the observation scheme of which in accordance with the method according to the invention is presented in FIG. 2.
  • Plane A was located at a distance R from the meteorological radar antenna.
  • the direction and magnitude of the full velocity vector of plane A are determined by its three orthogonal components v R , v x , v y , of which the radial component v R coincides with the z axis, and the vertical v y and horizontal v x components lie in a plane orthogonal to the z axis radiation.
  • Coherent meteorological radars measure the Doppler frequency shift of the reflected radio signal. The magnitude of this shift calculate the value of the radial component of the velocity v R.
  • multi-position meteorological radars are used, which requires significant material costs, or they use calculation methods based on the results of successive measurements in a large area of space, which does not provide measurements in a small area of space limited by the size of the resolution element meteorological radar.
  • the principle of spatio-temporal processing of signals reflected from MO is used in an active radar with a single-pulse receiving antenna in two planes.
  • the spatio-temporal processing included measurements of the angular position of the elements of the MO separated by sign of equal, Doppler frequency shifts of the reflected signal.
  • the radial component and two components of the full velocity vector were calculated using the linear regression analysis method.
  • a system of rotation of the antenna radiation patterns around the radiation axis of the probe signal was used according to the criterion of maximizing the signal intensity in one of the receiving channels, which was adopted as the measuring one.
  • the method for remote measurement of the total velocity vector of MO according to the invention can be implemented using the device according to the invention, made in the form of a meteorological radar, the scheme of which is presented in Fig.Z.
  • the meteorological radar according to the invention contains: a pulse signal generator 10, a transmitter 11, an antenna 12, a receiver 13, a data processing device 14 including a digital filter unit 15, an antenna control unit 16, a calculator 17.
  • the generator 10 provides the formation of a pulse signal modulating the signal of the transmitter P
  • the transmitter 1 provides the formation of a coherent probe signal.
  • a pulse generator 10 and a transmitter 11 known solid state pulsed coherent generators and power amplifiers can be used.
  • Antenna 12 is adapted for radiation of a probing radar signal into space and, unlike the prototype, for receiving radio signals reflected from MO by three radiation patterns: a total radiation pattern, a differential vertical and differential horizontal radiation patterns, and is equipped with a device for rotating the antenna 12 (not shown), providing rotation of all radiation patterns of the antenna 12 around the z-axis of the radiation of the probe signal (Figure 2) in an arbitrarily selected direction.
  • a monopulse goniometer antenna of the phased array type with electronically controlled radiation patterns can be used as the antenna 12.
  • the receiving device 13 comprises a receiver 18 of the total receiving channel, a receiver 19 of the differential vertical receiving channel and a receiver 20 of the differential AND
  • receivers 18, 19 and 20 can be used amplifiers of intermediate frequency with devices for gating signals by delay time and analog-to-digital signal converters at the output.
  • Block 15 of digital filters contains filters 21 of the total receive channel, filters 22 of the differential vertical receive channel and filters 23 of the differential horizontal channel, providing narrow-band filtering of each array of digital data in the corresponding receiving channel to obtain frequency spectra of the signals in the form of M values of the amplitudes of the frequency spectra.
  • a computing device can be used that provides computational operations in accordance with the operational algorithms of the method according to the invention.
  • the antenna control unit 16 is adapted to perform the following operations:
  • the transmitter 17 which was used as a computing device, is adapted to perform the following operations in sequence:
  • the radar method for remote measurement of the total velocity vector of MO according to the invention was carried out according to the scheme shown in Fig.Z, as follows.
  • the radar pulsed coherent probe signal generated by the generator 10 and modulated in the transmitter 11 was radiated into space using the antenna 12 and the radio signals reflected from the MO were received separately by three radiation patterns of the antenna 12: the total radiation pattern, the differential vertical and differential horizontal radiation patterns.
  • Figure 4 shows the cross section of the total (G) 24 and the differential horizontal 25 radiation patterns of the antenna 12 with a horizontal plane ( ⁇ , ⁇ ).
  • ⁇ , ⁇ For a horizontal differential radiation pattern 25, sections of its positive G + and negative G- lobes are shown.
  • the vertical plane sections (y, z) of the total radiation pattern and the differential vertical radiation patterns (not shown in the drawing) looked identical to those shown in FIG. 4.
  • using the device for rotating the antenna 12 it is possible to rotate all of its radiation patterns around the z axis of the radiation of the probe signal.
  • the average values of the amplitudes of the frequency spectra of the signals at the output of the digital filters 22 and 23 of the differential vertical and horizontal channels were compared and a control signal was supplied to the antenna rotation device 12, which ensured that all three radiation patterns of the antenna 12 were rotated around the z axis of the radiation of the probe signal as shown in FIG. 5. This led to a change in the position of the vertical 26 and horizontal 27 equal-signal directions of the radiation patterns of the antenna 12.
  • the above described operations of the method according to the invention were repeated: by radiation of the probe signal by the antenna 12; receiving radio signals reflected from the MO by three radiation patterns of the antenna 12: total, differential vertical and differential horizontal; on amplification and coherent detection of received signals, on allocation of a range resolution channel in these signals (according to the delay time of signal reception), and digital conversion of signals received by each receiving channel in receivers 18, 19 and 20 into digital data arrays for a range resolution channel, as well as in block 15 of digital filters, M values of the amplitudes of the frequency spectra of these signals were determined.
  • the operation of comparing the average amplitudes of the frequency spectra of the signals at the output of the digital filters 22 and 23 of the difference vertical and horizontal channels was repeated.
  • the antenna 12 was rotated around the radiation axis z until the maximum difference between the average amplitudes of the indicated spectra was reached.
  • one differential receiving channel was selected as the measuring channel, in which the average value of the spectrum amplitudes was the largest: for example, in the example shown in FIG.
  • a differential horizontal channel 23 was selected, and the angle foliate table ⁇ of the rotation of the antenna 12 was determined at which the indicated maximum difference in the average values of the amplitudes of the indicated spectra was achieved.
  • the equal-signal direction of the measuring channel 27 was designated by the ⁇ axis, the direction of which coincided with the direction of the vector v xy, which is a component of the MO velocity vector in the plane orthogonal to the z axis of the radiation of the probe signal.
  • the direction "radar - reflecting point C, located at a distance r”, was given by the vector e ⁇ e R , e x , e y ⁇ defined by the direction cosines:
  • ⁇ is the radiation wavelength of the radar station. 6
  • the spatial distribution of values of Doppler shift / d (x, y) has the form somewhat curved (almost flat) frequency surface raised on a frequency axis 333 Hz and inclined with respect to x and y axes.
  • the range of variation of the Doppler frequency shift of the received signal was 99 Hz.
  • T 0.5 s
  • the frequency resolution of the filters in block 15 of the digital filters was 2 Hz, which made it possible to obtain 50 independent values of this spectrum at the output of each of the digital filters 21, 22, and 23.
  • the spatial distribution of the Doppler frequency shift values f d (x, y) is sensitive to all components of the MO velocity vector.
  • the frequency range was tens of hertz at a MO velocity of units meters per second, which made it possible to implement radar measurement of the total velocity vector.
  • the values of the amplitudes of the spectrum are given in relative units on the same scale.
  • the average value> S Av of the amplitudes of the signal spectrum was zero.
  • the slope slope of the graph S Ah for the horizontal difference receiving channel was proportional to the magnitude of the modulus of the vector of the tangential component v of the velocity MO.
  • the calculator 17 based on the joint processing of the signal spectra S of the total receiving channel 21 and the digital filters of the measuring channel (in this example, the filters of the horizontal difference receiving channel 23), the angles of 0 t of arrival of the signals reflected from the MO for each pair of filters with the same tuning frequency were determined by a single pulse method / t
  • Fig. 8 shows an example of the dependence of the values of the angle 0 t as a function of f m - the filter frequency of the measuring channel.
  • Asterisks indicate the values of angles of 9 tons measured with some error, which formed M — the dimensional vector ⁇ of angle estimates, called the “cloud of angle estimates”.
  • the cloud of angle estimates was approximated by the frequency line 28 (Fig. 8), formed by the cross-section of the frequency surface by a plane passing through the ( ⁇ , ⁇ ) axes.
  • MO as well as vertical v y and horizontal ⁇ ⁇ components of the complete velocity vector of MO.
  • the estimates of the angle ⁇ and frequency f are related to the measured parameters of the radial component v R of the MO velocity and the tangential component v xy of the MO velocity vector by the linear equation
  • the cloud of angle estimates was approximated by frequency line 28 by the method of linear regression analysis using the criterion of minimum standard deviation.
  • the values of f 0 and k were determined by the formulas: h
  • Fig. 9 shows examples of the dependence of the values of v R , v xy determined by the method according to the invention on the accuracy of measuring the angles ⁇ for a meteorological radar according to the invention, which accumulates a signal over a time interval of T - 1 s, Fig. 9.
  • the errors in measuring the angles ⁇ were set distributed according to the normal law with zero mean and standard deviation ⁇ ⁇ .
  • the radar method and the device for remote measurement of the total velocity vector of the MO allows, with accuracy sufficient for meteorological observations and higher than previously known meteorological radars, to measure the components of the complete velocity vector in a limited area of space, determined by the width of the total radiation pattern meteorological radar antennas, for relatively a short time without scanning the antenna radiation patterns, with obtaining the values of the three components of the complete MO velocity vector using only one device for its implementation.
  • the radar method for remote measurement of the complete velocity vector of MO according to the invention can be implemented using a device for its implementation according to the invention, made in the form of a meteorological radar, using known acceptable hardware computing devices and equipment, using a monopulse goniometric method and applying a regression analysis method for determining the components of the velocity vector of the meteorological object.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

Изобретение представляет собой способ и устройство для радиолокационного измерения полного вектора скорости движения метеорологического объекта на основе измерения составляющих этого вектора скорости в ограниченной области пространства, определяемой шириной диаграмм направленности антенны, за короткое время без сканирования. Способ основан на пространственно-временной обработке отраженных от метеорологического объекта сигналов в активном когерентном радаре с моноимпульсной в двух плоскостях приемной антенной, при этом измеряют угловое положение областей метеорологического объекта, разделенных по признаку равной доплеровской частоты, определяют радиальную и две ортогональные к ней составляющие полного вектора скорости метеорологического объекта. Для обеспечения требуемой точности измерений используется система вращения диаграмм направленности антенны вокруг оси излучения зондирующего сигнала по критерию максимизации интенсивности сигнала в одном из приемных каналов.

Description

Радиолокационный способ и устройство для дистанционного измерения полного вектора скорости метеорологического объекта
Область техники
Изобретение относится к области радиолокации метеорологических объектов, в частности, к способам и устройствам для измерения направления и скорости их перемещения, например, для обеспечения безопасности полетов авиации.
Предшествующий уровень техники
Необходимость измерения направления и скорости движения метеорологических объектов (далее МО) вызвана требованиями обеспечения безопасности полетов, что особенно важно в зонах посадки летательных аппаратов, при полетах на малых высотах, для метеорологического обеспечения воздухоплавания.
Известны методы дистанционного измерения скорости МО основанные на применении радаров, использующих измерители доплеровского сдвига частоты отраженного от МО сигнала для оценки радиальной составляющей скорости движения МО. Повышение требований к безопасности полетов приводит к необходимости повышения функциональных возможностей метеорологических радаров путем обеспечения измерения полного вектора скорости движения МО.
При радиолокационном наблюдении МО направление и величина полного вектора скорости движения МО в пространстве определяются направлением и величиной его трех ортогональных составляющих, из которых, радиальная составляющая совпадает с направлением излучения метеорологического радара, а две другие - вертикальная и горизонтальная составляющие - лежат в плоскости, ортогональной к направлению излучения. Особенностью измерения полного вектора скорости движения МО с помощью радара является практическая сложность непосредственного измерения его составляющих, ортогональных к направлению излучения.
Как правило, с помощью когерентных метеорологических радаров непосредственно измеряют доплеровский сдвиг частоты отраженного радиосигнала, по величине этого сдвига вычисляют значение радиальной составляющей полного вектора скорости МО.
Для измерения ортогональных к направлению излучения составляющих вектора скорости используют многопозиционные метеорологические радары, либо методы расчета по результатам последовательных измерений в большой области пространства, что требует повышения материальных и/или временных затрат и не обеспечивает точности измерений, достаточной для метеорологического обеспечения авиации.
В известных способах дистанционного измерения скорости и направления ветра (RU, 2017169, CI; RU, 244931 1, С 1), в радаре слежения за дождем (GB, 2320830, А) и в бортовом доплеровском метеорологическом радаре системы обнаружения сдвига ветра (WO 94/24582) по результатам наблюдения МО одним метеорологическим радаром с помощью многократных измерений строят траекторию движения МО и по параметрам траектории рассчитывают полный вектор скорости, при этом полное время измерения достигает десятков минут.
В способе обнаружения и определения атмосферных аномалий на расстоянии (US, 2011/0291879, А1) по результатам наблюдения МО с помощью одного подвижного метеорологического радара многократно измеряют радиальные составляющие скорости в различных точках некоторой области пространства и по ним вычисляют средние значения ортогональных составляющих вектора скорости для этой области.
Полный вектор скорости определяют по результатам наблюдения МО комплексом расположенных определенным образом стационарных многопозиционных метеорологических радаров за один интервал наблюдения (US, 2012/0086596, А1; US, 6070461, В1). Частным случаем таких систем являются системы с использованием одного передатчика и множества приемников радиолокационного сигнала (US, 5471211, В1), или многолучевой антенны (US, 2011/0172920, А1).
Наиболее близкими к настоящему изобретению являются известные способ и устройство для обработки отраженного радиолокационного сигнала (US, 201 1/0304501 , А1), обеспечивающие определение скорости МО на основе обработки результатов измерений доплеровского сдвига частоты отраженного от МО сигнала. Конфигурация известного устройства представлена на Фиг. 1.
Согласно описанной в этом патенте технологии, импульсный сигнал, созданный генератором импульсных сигналов 1, модулирует несущую частоту передатчика 2. После усиления мощности в передатчике 2 полученный радиолокационный зондирующий сигнал излучается в пространство антенной 3 через циркулятор 4. Отраженный от МО сигнал, полученный антенной 3, посылают через циркулятор 4 на приемник 5. Приемник 5 усиливает сигнал, полученный антенной 3, и осуществляет преобразование его несущей частоты в базовую частоту, а также разрешают принимаемые отраженные от МО сигналы по дальности (разделяют по времени их задержки), выделяя в пространстве элементы разрешения МО, ограниченные диаграммой направленности антенны и разрешенными участками по дальности. Выходные данные из приемника 5 поступают в устройство обработки сигнала 6, которое преобразует входной сигнал в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя 7. Эти цифровые данные в формирователе данных 8 форматируются в цифровой пакет данных, который поступает в процессор наблюдений 9. В процессоре наблюдений 9 вычисляется спектр частот принимаемого сигнала для каждого элемента разрешения по дальности и для интервала накопления сигнала во времени длительностью Т . Для этого спектра рассчитывают его средний доплеровский сдвиг частоты. Из значения среднего доплеровского сдвига частоты рассчитывают значение радиальной составляющей скорости движения МО, находящегося в элементе разрешения. При этом длительность интервала времени накопления сигнала Т определяет разрешающую способность устройства по частоте и, следовательно, точность измерения радиальной составляющей скорости.
Недостатком указанного технического решения является невозможность измерения полного вектора скорости МО, находящегося в элементе разрешения.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является повышение точности дистанционной оценки скорости МО, обнаруживаемого радаром в разрешенной по дальности области пространства, и получение значений трех составляющих полного вектора скорости МО с помощью только одного радиолокатора без сканирования диаграммой направленности антенны.
При создании изобретения была поставлена техническая задача разработки способа дистанционного радиолокационного измерения полного вектора скорости МО на основе измерения пространственного распределения радиальной составляющей скорости отражающих участков МО в пределах луча диаграммы направленности без сканирования, с получением значений трех составляющих полного вектора скорости МО с помощью только одного устройства для его осуществления. Ожидаемым техническим результатом изобретения являлась высокая точность и малое время измерения составляющих полного вектора скорости движения МО.
Поставленная задача была решена разработкой радиолокационного способа дистанционного измерения полного вектора скорости метеорологического объекта, в котором:
- излучают в пространство когерентный зондирующий импульсный радиолокационный сигнал;
- принимают, усиливают и когерентно детектируют радиосигналы, отраженные от метеорологического объекта, выделяют в них канал разрешения по дальности в соответствии с временем их задержки и преобразуют сигналы в канале разрешения по дальности в цифровую форму данных;
- определяют полный вектор скорости метеорологического объекта путем обработки полученных данных,
отличающегося тем, что:
- прием отраженных радиосигналов производят одновременно в суммарной диаграмме направленности антенны и в двух разностных диаграммах направленности антенны, в вертикальной и горизонтальной плоскостях, в течение заданного времени накопления отраженных радиосигналов;
- направляют принятые радиосигналы раздельно в соответствующие диаграммам направленности антенны разностный вертикальный, разностный горизонтальный и суммарный приемные каналы, в которых обеспечивают их усиление, когерентное детектирование, выделение канала разрешения по дальности в соответствии с временем задержки приема радиосигналов в каждом указанном приемном канале, и осуществляют цифровое преобразование указанных принятых радиосигналов в массивы исходных данных в каждом соответствующем приемном канале для выделенного канала разрешения по дальности;
- осуществляют узкополосную фильтрацию указанных массивов исходных данных в М каналах фильтрации, имеющих в указанных трех приемных каналах одинаковый набор центральных частот настройки фильтров, при этом для выделенного канала разрешения по дальности в каждом приемном канале определяют спектры частот сигналов в виде М значений амплитуд спектра частот в каждом из указанных каналов фильтрации; - сравнивают средние значения указанных амплитуд спектров частот сигналов в указанных разностных вертикальном и горизонтальном приемных каналах для выделенного канала разрешения по дальности и производят поворот всех диаграмм направленности антенны вокруг оси излучения до достижения максимальной разности средних значений амплитуд указанных спектров в разностном вертикальном и разностном горизонтальном каналах, осуществляя при этом непрерывно указанные действия по излучению зондирующего сигнала, раздельному приему отраженных сигналов в приемных каналах в соответствии с диаграммами направленности антенны в течение указанного интервала времени накопления, по выделению в них канала разрешения по дальности в соответствии с временем задержки их приема, по цифровому преобразованию указанных принятых радиосигналов в массивы исходных данных и по указанной фильтрации;
- определяют значение угла поворота диаграмм направленности антенны при достигнутой указанной максимальной разнице средних значений амплитуд указанных спектров в указанных разностном вертикальном и разностном горизонтальном каналах и из указанных двух разностных приемных каналов один разностный приемный канал, имеющий большее среднее значение амплитуд спектра частот, выбирают в качестве измерительного канала, в отношении которого производят следующие действия:
- в указанных суммарном и измерительном приемных каналах, для каждой из М пар фильтров, имеющих одинаковую центральную частоту настройки, для выделенного канала разрешения по дальности, определяют М значений угла прихода сигнала путем совместной обработки амплитуд спектров частот сигналов суммарного и измерительного каналов моноимпульсньгм методом;
- определяют значения модуля радиальной составляющей скорости и модуля ортогональной к ней тангенциальной составляющей скорости метеорологического объекта путем совместной обработки М полученных значений угла прихода сигнала с применением метода линейного регрессионного анализа;
- определяют полный вектор скорости метеорологического объекта путем расчета значений модулей векторов вертикальной и горизонтальной составляющих его скорости на основе тригонометрических соотношений полученных значений модуля тангенциальной составляющей скорости метеорологического объекта и указанного угла поворота антенны. Поставленная задача была также решена созданием устройства для дистанционного измерения полного вектора скорости метеорологического объекта, выполненного в виде метеорологического радара, содержащего:
метеорологического радара для дистанционного измерения полного вектора скорости метеорологического объекта, содержащего:
- генератор импульсного сигнала, модулирующий сигнал передатчика;
- передатчик, обеспечивающий формирование когерентного зондирующего сигнала;
антенну, излучающую зондирующий радиолокационный сигнал в пространство и принимающую радиосигналы, отраженные от метеорологического объекта;
приемное устройство, обеспечивающее усиление, когерентное детектирование принятых радиосигналов, вьщеление в них канала разрешения по дальности в соответствии с временем их задержки и цифровое преобразование указанных отраженных радиосигналов в массивы исходных данных в каждом соответствующем приемном канале для выделенного канала разрешения по дальности;
- устройство обработки полученных данных для определения полного вектора скорости метеорологического объекта,
отличающегося тем, что:
- в качестве антенны содержит моноимпульсную угломерную антенну, обеспечивающую прием отраженных от метеорологических объектов сигналов одновременно в суммарной диаграмме направленности антенны и в двух разностных диаграммах направленности антенны, в вертикальной и горизонтальной плоскостях, и снабженную устройством поворота указанных трех диаграмм направленности антенны вокруг оси излучения зондирующего сигнала;
- приемное устройство содержит три идентичных приемных канала, обеспечивающих раздельное усиление, когерентное детектирование сигналов, принятых, соответственно, по указанным суммарной и разностным диаграммам направленности антенны, выделение в них канала разрешения по дальности в соответствии с временем их задержки, и цифровое преобразование указанных принятых радиосигналов в массивы исходных данных в каждом соответствующем приемном канале для выделенного канала разрешения по дальности;
- устройство обработки данных содержит: - блок цифровых фильтров, включающий М фильтров в каждом суммарном, разностном вертикальном и разностном горизонтальном каналах, обеспечивающих узкополосную фильтрацию каждого указанного массива исходных данных в соответствующем приемном канале с получением М значений амплитуд спектров частот радиосигналов для выделенного канала разрешения по дальности;
- блок управления антенной, обеспечивающий:
- сравнение средних значений М амплитуд указанных спектров частот сигналов в фильтрах разностных вертикального и горизонтального каналов и подачу на устройство поворота диаграмм направленности антенны управляющего сигнала, обеспечивающего поворот диаграмм направленности антенны вокруг оси излучения зондирующего сигнала до достижения максимальной разности средних значений амплитуд указанных спектров частот сигналов в фильтрах разностного вертикального и разностного горизонтального каналов;
- выбор из указанных двух разностных каналов одного разностного канала, имеющего большее значение средней амплитуды спектра частот в фильтрах, в качестве измерительного канала;
- определение значения угла поворота диаграмм направленности антенны;
- вычислитель, обеспечивающий последовательно:
- определение М значений угла прихода сигнала путем совместной обработки амплитуд спектров частот сигналов суммарного и измерительного каналов моноимпульсным методом, для каждой из М пар фильтров в каналах фильтрации в указанных суммарном и измерительном приемных каналах, имеющих одинаковую центральную частоту настройки, для выделенного канала разрешения по дальности;
- определение значения модуля радиальной составляющей и модуля ортогональной к ней тангенциальной составляющей скорости метеорологического объекта путем совместной обработки М полученных значений угла прихода сигнала с применением метода линейного регрессионного анализа; - определение полного вектора скорости метеорологического объекта путем расчета значений модулей векторов вертикальной и горизонтальной составляющих его скорости на основе тригонометрических соотношений для полученных значений модуля тангенциальной составляющей скорости метеорологического объекта и для указанного угла поворота антенны.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием осуществления радиолокационного способа дистанционного измерения полного вектора скорости метеорологического объекта согласно изобретению и устройства для его осуществления согласно изобретению, выполненного в виде метеорологического радара, и прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг Л - схема известного метеорологического радара (предшествующий уровень техники);
Фиг.2 - схема наблюдения объекта согласно изобретению, система координат и составляющие вектора скорости МО согласно изобретению ;
Фиг.З - схема метеорологического радара согласно изобретению;
Фиг.4 - сечения суммарной и разностной диаграмм направленности антенны в горизонтальной плоскости;
Фиг.5 - схема поворота диаграмм направленности антенны;
Фиг.6 - пространственное распределение значений доплеровского сдвига частоты сигнала, отраженного от МО, имеющего вид плоской поверхности, нормальной к оси излучения;
Фиг.7 - пример выходных сигналов цифровых фильтров;
Фиг.8 - схема применения метода линейного регрессионного анализа для аппроксимации зависимости измеренных значений углов прихода сигналов от их частоты;
Фиг.9 - рассчитанные значения составляющих вектора скорости движения МО в зависимости от точности измерения угла прихода сигналов (имитационное моделирование).
При этом приведенные примеры осуществления способа и примеры выполнения метеорологического радара для его осуществления не являются исчерпывающими, не ограничивают возможностей изобретения и не выходят за рамки формулы изобретения.
Наилучший вариант осуществления изобретения
Радиолокационный способ дистанционного измерения полного вектора скорости метеорологического объекта согласно изобретению предназначен для определения скорости метеорологического объекта, схема наблюдения которого в соответствии со способом согласно изобретению, представлена на Фиг.2.
В качестве модели метеорологического объекта была выбрана плоскость А , нормальная к оси z излучения, что является справедливым для достаточно распространенных случаев, когда характер движения МО неизменен по глубине в пределах относительно небольшого элемента разрешения метеорологического радара по дальности. Плоскость А была расположена на расстоянии R от антенны метеорологического радара. Направление и величина полного вектора скорости плоскости А определяются его тремя ортогональными составляющими vR,vx,vy , из которых радиальная составляющая vR совпадает с осью z, а вертикальная vy и горизонтальная vx составляющие лежат в плоскости, ортогональной к оси z излучения.
В когерентных метеорологических радарах измеряют доплеровский сдвиг частоты отраженного радиосигнала. По величине этого сдвига вычисляют значение радиальной составляющей скорости движения vR . Для измерения вертикальной vy и горизонтальной νχ составляющих полного вектора скорости используют многопозиционные метеорологические радары, что требует значительных материальных затрат, либо используют методы расчета по результатам последовательных измерений в большой области пространства, что не обеспечивает измерений в небольшой области пространства, ограниченной размерами элемента разрешения метеорологического радара.
В способе дистанционного измерения полного вектора скорости МО согласно изобретению использован принцип пространственно-временной обработки сигналов, отраженных от МО, в активном радаре с моноимпульсной в двух плоскостях приемной антенной. При этом пространственно-временная обработка включала измерения моноимпульсным методом углового положения элементов МО, разделенных по признаку равных, доплеровских сдвигов частоты отраженного сигнала. По построенной таким образом зависимости «угол-частота» методом линейного регрессионного анализа вычисляли радиальную составляющую и две ортогональные к ней составляющие полного вектора скорости.
Для обеспечения требуемой точности измерений использована система вращения диаграмм направленности антенны вокруг оси излучения зондирующего сигнала по критерию максимизации интенсивности сигнала в одном из приемных каналов, принятом за измерительный.
Способ дистанционного измерения полного вектора скорости МО согласно изобретению может быть реализован с помощью устройства согласно изобретению, вьшолненного в виде метеорологического радара, схема которого представлена на Фиг.З.
При этом метеорологический радар согласно изобретению (Фиг.З) содержит: генератор 10 импульсного сигнала, передатчик 11, антенну 12, приемное устройство 13, устройство 14 обработки данных, включающее блок 15 цифровых фильтров, блок 16 управления антенной 12, вычислитель 17.
При этом генератор 10 обеспечивает формирование импульсного сигнала, модулирующего сигнал передатчика П, передатчик 1 обеспечивает формирование когерентного зондирующего сигнала. В качестве генератора импульсных сигналов 10 и передатчика 11 могут быть использованы известные твердотельные импульсные когерентные генераторы и усилители мощности.
Антенна 12 приспособлена для излучения зондирующего радиолокационного сигнала в пространство и, в отличие от прототипа, для приема отраженных от МО радиосигналов тремя диаграммами направленности: суммарной диаграммой направленности, разностной вертикальной и разностной горизонтальной диаграммами направленности, и снабжена устройством поворота антенны 12 (не показано), обеспечивающем поворот всех диаграмм направленности антенны 12 вокруг оси z излучения зондирующего сигнала (Фиг.2) в произвольно выбранном направлении.
В качестве антенны 12 может быть использована моноимпульсная угломерная антенна типа фазированной антенной решетки с электронным управлением лучами диаграмм направленности.
Приемное устройство 13 содержит приемник 18 суммарного приемного канала, приемник 19 разностного вертикального приемного канала и приемник 20 разностного И
горизонтального приемного канала, обеспечивающих усиление, когерентное детектирование принимаемых сигналов, выделение в этих сигналах канала разрешения по дальности (по времени задержки их приема) и цифровое преобразование указанных принятых радиосигналов в массивы исходных данных в каждом соответствующем приемном канале для выделенного канала разрешения по дальности.
В качестве приемников 18, 19 и 20 могут быть использованы усилители промежуточной частоты с устройствами стробирования сигналов по времени задержки и аналогово-цифровыми преобразователями сигналов на выходе.
Блок 15 цифровых фильтров содержит фильтры 21 суммарного приемного канала, фильтры 22 разностного вертикального приемного канала и фильтры 23 разностного горизонтального канала, обеспечивавшие узкополосную фильтрацию каждого массива цифровых данных в соответствующем приемном канале с получением спектров частот сигналов в виде М значений амплитуд спектров частот.
В качестве блока 15 цифровых фильтров может быть использовано вычислительное устройство, обеспечивающее выполнение вычислительных операций в соответствии с алгоритмами операций способа согласно изобретению.
Блок 16 управления антенной 12 приспособлен для осуществления следующих операций:
- сравнения средних значений М амплитуд указанных спектров частот сигналов в разностных вертикальном и горизонтальном приемных каналах и подачи на устройство поворота диаграмм направленности антенны 12 управляющего сигнала, обеспечивающего поворот антенны 12 вокруг оси z излучения зондирующего сигнала до достижения максимальной разности средних значений амплитуд указанных спектров частот сигналов в разностном вертикальном приемном канале и в разностном горизонтальном приемном канале;
- выбора из указанных двух разностных приемных каналов одного разностного приемного канала, имеющего большее значение средней амплитуды спектра частот, в качестве измерительного канала;
- определения значения угла поворота диаграмм направленности антенны 12. Вычислитель 17, в качестве которого использовали вычислительное устройство, приспособлено для осуществления последовательно следующих операций:
- определения М значений угла прихода сигнала путем совместной обработки амплитуд спектров частот сигналов суммарного и измерительного каналов моноимпульсным методом, для каждой из М пар фильтров в каналах фильтрации в указанных суммарном и измерительном приемных каналах, имеющих одинаковую центральную частоту настройки, для выделенного канала разрешения по дальности;
- определения значения модуля радиальной составляющей vR (Фиг.2) и модуля ортогональной к ней тангенциальной составляющей скорости метеорологического объекта путем совместной обработки М полученных значений угла прихода сигнала с применением метода линейного регрессионного анализа;
- определения полного вектора скорости метеорологического объекта путем расчета значений модулей векторов вертикальной vy и горизонтальной vx составляющих его скорости на основе тригонометрических соотношений для полученных значений модуля тангенциальной составляющей скорости метеорологического объекта и для указанного угла поворота антенны.
Радиолокационный способ дистанционного измерения полного вектора скорости МО согласно изобретению осуществляли по схеме, показанной на Фиг.З, следующим образом.
Генерируемый генератором 10 и модулированный в передатчике 11 радиолокационный импульсный когерентный зондирующий сигнал излучали в пространство с помощью антенны 12 и принимали отраженные от МО радиосигналы раздельно тремя диаграммами направленности антенны 12: суммарной диаграммой направленности, разностной вертикальной и разностной горизонтальной диаграммами направленности.
На Фиг.4 показаны сечения суммарной (G) 24 и разностной горизонтальной 25 диаграмм направленности антенны 12 горизонтальной плоскостью (χ,ζ). Для разностной горизонтальной диаграммы направленности 25 показаны сечения ее положительного G+ и отрицательного G- лепестков. Сечения вертикальной плоскостью (y,z) суммарной диаграммы направленности и разностной вертикальной диаграмм направленности (на чертеже не показаны) выглядели идентично сечениям, показанным на Фиг.4. При этом, согласно изобретению, с помощью устройства поворота антенны 12 возможен поворот всех ее диаграмм направленности вокруг оси z излучения зондирующего сигнала.
В приемном устройстве 13 осуществляли раздельно в приемниках 18, 19, 20 усиление, когерентное детектирование принятых по указанным трем диаграммам направленности отраженных сигналов, выделение в этих сигналах канала разрешения по дальности путем стробирования принимаемых сигналов по времени задержки их приема, и преобразование сигналов в массивы цифровых данных для каждого приемного канала в канале разрешения по дальности.
В блоке 15 цифровых фильтров для участка сигнала длительностью Т раздельно в фильтрах 21, 22, 23 из массива цифровых данных рассчитывали М значений амплитуд спектра частот сигнала в указанном канале разрешения по дальности.
В блоке 16 управления антенной 12 осуществляли сравнение средних значений амплитуд спектров частот сигналов на выходе цифровых фильтров 22 и 23 разностных вертикального и горизонтального каналов и подавали на устройство поворота антенны 12 управляющий сигнал, обеспечивавший поворот всех трех диаграмм направленности антенны 12 вокруг оси z излучения зондирующего сигнала, как показано на Фиг.5. Это приводило к изменению положения вертикального 26 и горизонтального 27 равносигнальных направлений диаграмм направленности антенны 12.
При этом в течение времени поворота антенны 12 для каждого ее положения повторяли описанные выше операции способа согласно изобретению: по излучению зондирующего сигнала антенной 12; по приему отраженных от МО радиосигналов тремя диаграммами направленности антенны 12: суммарной, разностной вертикальной и разностной горизонтальной; по усилению и когерентному детектированию принятых сигналов, по выделению в этих сигналах канала разрешения дальности (по времени задержки приема сигналов), и цифровому преобразованию сигналов, принятых каждым приемным каналом, в приемниках 18, 19 и 20 в массивы цифровых данных для канала разрешения дальности, а также в блоке 15 цифровых фильтров определяли М значений амплитуд спектров частот этих сигналов. При этом для каждого положения антенны 12 повторяли операцию сравнения средних значений амплитуд спектров частот сигналов на выходе цифровых фильтров 22 и 23 разностных вертикального и горизонтального каналов. Поворот антенны 12 вокруг оси излучения z производили до достижения максимальной разности средних значений амплитуд указанных спектров. По завершении поворота антенны 12 из двух разностных приемных каналов - вертикального и горизонтального - выбирали в качестве измерительного канала один разностный приемный канал, в котором среднее значение амплитуд спектра было наибольшим: например, в показанном на Фиг.5 примере в качестве измерительного канала был выбран разностный горизонтальный канал 23, и определяли значение угла Θ поворота антенны 12, при котором была достигнута указанная максимальная разница средних значений амплитуд указанных спектров. Для дальнейших вычислений равносигнальное направление измерительного канала 27 обозначали осью ζ, направление которой совпадало с направлением вектора vxy - составляющей вектора скорости МО в плоскости, ортогональной к оси z излучения зондирующего сигнала.
Для определения полного вектора скорости МО в вычислителе 17 использовали связь значений доплеровского сдвига частоты сигнала, отраженного от точки С на поверхности А , между ее координатами (R,x,y ) и вектором скорости МО v = {vR ,vx ,vy} (Фиг.2).
Как следует из схемы наблюдения, показанной на Фиг.2, когда угловой размер отражающей поверхности А невелик - не превышает нескольких градусов, каждая отражающая точка МО на плоскости А с координатами х = {R,x,y} имеет одинаковый вектор скорости v = {vR ,vx ,vy} , неизменный за время наблюдения Т , т.е.
V - const(t,x) .
Направление «радар - отражающая точка С, находящаяся на расстоянии г», задавали вектором е = {eR,ex ,ey} , определенном направляющими косинусами:
R х у г~ 2 2
eR =— , ех = -, е -— , где г = R + х + у
г г г
Значение радиальной составляющей vr(x,y) скорости отражающей точки С определяли векторным произведением вектора V на вектор е : vr = (v,e) = -(vRR + vx + v ^) .
г
Такому значению радиальной составляющей vt(x,y) скорости отражающей точки С соответствовало значение доплеровского сдвига частоты fd сигнала, отраженного от точки С
Figure imgf000016_0001
где λ - длина волны излучения радиолокационной станции. На Фиг.6 в качестве примера связи значений доплеровского сдвига частоты сигнала отраженного от точки С на поверхности А , с ее координатами (х,у ), приведено изображение пространственного распределения значений доплеровского сдвига частоты /А(х,у) - так называемой «частотной поверхности» - при наблюдении МО с помощью метеорологического радара согласно схеме, показанной на Фиг.2, при /? = 10км, длине волны зондирующего сигнала Л = 0.03 м, при размере зоны обзора 700x700 м, что соответствует ширине суммарной диаграммы направленности антенны θ0 « 4° в горизонтальном и вертикальном направлении. При этом составляющие полного вектора скорости МО были: vR = 5м/с, νχ = 10м/с, y = 20м/с.
Как показано на Фиг.6, пространственное распределение значений доплеровского сдвига частоты /й(х,у) имело вид несколько искривленной (почти плоской) частотной поверхности, поднятой по оси частот на 333 Гц и наклоненной относительно осей х и у .
Диапазон изменения доплеровского сдвига частоты принятого сигнала составлял 99 Гц. При заданном времени накопления сигнала Т = 0.5 с разрешающая способность фильтров по частоте в блоке 15 цифровых фильтров составляла 2 Гц, что позволяло получать 50 независимых значений такого спектра на выходе каждого из цифровых фильтров 21, 22 и 23.
Таким образом, вид пространственного распределения значений доплеровского сдвига частот fd{x,y) чувствителен ко всем составляющим вектора скорости МО. При этом диапазон изменения частот составлял десятки герц при скорости движения МО, составлявшей единицы метров в секунду, что позволяло реализовать радиолокационное измерение полного вектора скорости.
На Фиг.7 приведен пример значений амплитуд £Σ спектров сигналов на выходе цифровых фильтров 21 суммарного приемного канала, значений ^ амплитуд спектров сигналов на выходе цифровых фильтров 22 разностного вертикального приемного канала и значений амплитуд SAh спектров сигналов на выходе цифровых фильтров 23 разностного горизонтального приемного канала в зависимости от частоты настройки фильтров, где т = \ ...М . При этом были использованы значения составляющих скорости движения МО: vR = 5 м/с, νχ = 10 M/c, vy = 0 м/с. Значения амплитуд спектра приведены в относительных единицах в одинаковом масштабе.
В этом примере на выходе фильтра 22 разностного вертикального приемного канала, где значение вертикальной составляющей вектора скорости МО vy = 0 м/с, среднее значение >SAv амплитуд спектра сигнала было равно нулю. Крутизна наклона графика SAh для разностного горизонтального приемного канала была пропорциональна величине модуля вектора тангенциальной составляющей v скорости МО.
В вычислителе 17 на основе совместной обработки спектров сигналов S суммарного приемного канала 21 и цифровых фильтров измерительного канала (в данном примере - фильтров разностного горизонтального приемного канала 23) моноимпульсным методом определяли углы 0т прихода отраженных от МО сигналов для каждой пары фильтров с одинаковой частотой настройки /т .
На Фиг.8 приведен пример зависимости значений угла 0т как функции от fm - частоты настройки фильтра измерительного канала. Звездочками отмечены измеренные с некоторой ошибкой значения углов 9т , которые образовывали М - размерный вектор Θ оценок углов, называемый «облако оценок углов». Облако оценок углов аппроксимировалось частотной линией 28 (Фиг.8), образованной сечением частотной поверхности плоскостью, проходящей через оси (ξ, ζ) .
Затем на основе значений углов Θ определяли значение vxy - модуля вектора составляющей вектора скорости МО в плоскости, ортогональной к направлению излучения V , и значение vR - модуля вектора радиальной составляющей скорости
МО, а также вертикальную vy и горизонтальную νχ составляющие полного вектора скорости МО.
При определении модулей векторов vxy и vR использовали линейное приближение формы частотного распределения fd(x,y) на отражающей поверхности А . За оценку частоты сигналов принимали центральную частоту настройки соответствующих m - ых фильтров в цифровых фильтрах суммарного канала и разностного измерительного канала, так что формировали М - размерный вектор f оценок частоты.
При принятом условии линейного приближения формы частотного распределения fd (x,y) оценки угла Θ и частоты f связаны с измеряемыми параметрами радиальной составляющей vR скорости МО и тангенциальной составляющей vxy вектора скорости МО линейным уравнением
Figure imgf000019_0001
где символ означает неизвестную (рассчитываемую) величину. При дальнейших расчетах, исходя из линейного характера частотной поверхности fd (x,y) , облако оценок углов аппроксимировали частотной линией 28 (Фиг.8), образованной сечением частотной поверхности плоскостью, проходящей через оси (ξ,ζ) (Фиг.5). Частотную линию определяли параметрами:
_ 2ν - 2ν
f - __. V - -L
я ' y " λ '
где f0 являлся сдвигом частотной линии по оси / , а кху являлся коэффициентом наклона частотной линии. При подстановке значений этих параметров в выражение (1) система линейных уравнений приобретала вид:
f = I + к ё.
Аппроксимацию облака оценок углов частотной линией 28 выполняли методом регрессионного линейного анализа по критерию минимума среднеквадратичного отклонения. Значения f0 и к определяли по формулам: h
- У / m У / 'З m - мУ / / m3 m '
Figure imgf000019_0002
Исходя из полученных значений оценок 0 и &ху , вычисляли значения векторов радиальной vR и тангенциальной vxy составляющих вектора скорости движения МО:
Figure imgf000020_0001
2 ХУ 2
На основе значения тангенциальной составляющей ν скорости и значения угла θχγ поворота антенны определяли значения вертикальной vy и горизонтальной νχ составляющих полного вектора скорости МО по формулам: V = v cos O , V = v sin O .
На Фиг.9 приведены полученные методом имитационного моделирования примеры зависимости значений vR ,vxy , определенные способом согласно изобретению, от точности измерения углов θ , для метеорологического радара согласно изобретению, накапливающего сигнал в течение интервала времени Т - 1 с. При этом истинные значения скоростей, заданные в модели, составляли: vR = 5 м/с, 10 м/с. Ошибки измерения углов Θ были заданы распределенными по нормальному закону с нулевым средним и среднеквадратическим отклонением σθ .
Из результатов моделирования следовало, что в диапазоне заданных значений σβ ошибка измерения радиальной составляющей vR скорости мала и составляет единицы сантиметров в секунду, она мало зависит от точности угловых измерений. Ошибка измерения тангенциальной составляющей vxy скорости возрастала при увеличении ошибки σβ измерения угла Θ и могла достигать единиц метров в секунду, однако оставалась вполне приемлемой для метеорологических наблюдений, если ошибки измерения углов Θ составляли σθ < 1° .
Таким образом, радиолокационный способ и устройство для дистанционного измерения полного вектора скорости МО согласно изобретению позволяют с точностью, достаточной для метеорологических наблюдений и более высокой, чем в ранее известных метеорологических радарах, измерять составляющие полного вектора скорости в ограниченной области пространства, определяемой шириной суммарной диаграммы направленности антенны метеорологического радара, за относительно короткое время без сканирования диаграмм направленности антенны, с получением значений трех составляющих полного вектора скорости МО с помощью только одного устройства для его осуществления.
Промышленная применимость
Радиолокационный способ дистанционного измерения полного вектора скорости МО согласно изобретению может быть реализован с использованием устройства для его осуществления согласно изобретению, выполненного в виде метеорологического радара, с использованием известных приемлемых аппаратных вычислительных устройств и оборудования, с помощью применения моноимпульсного угломерного метода и применения регрессионного метода анализа для определения составляющих вектора скорости метеорологического объекта.

Claims

Формула изобретения
1. Радиолокационный способ дистанционного измерения полного вектора скорости метеорологического объекта, в котором:
- излучают в пространство когерентный зондирующий импульсный радиолокационный сигнал;
- принимают, усиливают и когерентно детектируют радиосигналы, отраженные от метеорологического объекта, выделяют в них канал разрешения по дальности в соответствии с временем их задержки и преобразуют сигналы в канале разрешения по дальности в цифровую форму данных;
- определяют полный вектор скорости метеорологического объекта путем обработки полученных данных,
отличающийся тем, что:
- прием отраженных радиосигналов производят одновременно в суммарной диаграмме направленности антенны и в двух разностных диаграммах направленности антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях в течение заданного времени накопления отраженных радиосигналов;
- направляют принятые радиосигналы раздельно в соответствующие диаграммам направленности антенны разностный вертикальный, разностный горизонтальный и суммарный приемные каналы, в которых обеспечивают их усиление, когерентное детектирование, выделение канала разрешения по дальности в соответствии с временем задержки приема радиосигналов в каждом указанном приемном канале, и осуществляют цифровое преобразование указанных принятых радиосигналов в массивы исходных данных в каждом соответствующем приемном канале для выделенного канала разрешения по дальности;
- осуществляют узкополосную фильтрацию указанных массивов исходных данных в М каналах фильтрации, имеющих в указанных трех приемных каналах одинаковый набор центральных частот настройки фильтров, при этом для выделенного канала разрешения по дальности в каждом приемном канале определяют спектры частот сигналов в виде М значений амплитуд спектра частот в каждом из указанных каналов фильтрации;
- сравнивают средние значения указанных амплитуд спектров частот сигналов в указанных разностных вертикальном и горизонтальном приемных каналах для одного ранее выделенного канала разрешения по дальности и производят поворот всех диаграмм направленности антенны вокруг оси излучения до достижения максимальной разности средних значений амплитуд указанных спектров в разностном вертикальном и разностном горизонтальном каналах, осуществляя при этом непрерывно указанные действия по излучению зондирующего сигнала, раздельному приему отраженных сигналов в приемных каналах в соответствии с диаграммами направленности антенны в течение указанного интервала времени накопления, по выделению в них каналов разрешения по дальности в соответствии с временем задержки их приема, по цифровому преобразованию указанных принятых радиосигналов в массивы исходных данных и по указанной фильтрации;
- определяют значение угла поворота диаграмм направленности антенны при достигнутой указанной максимальной разнице средних значений амплитуд указанных спектров в указанных разностном вертикальном и разностном горизонтальном каналах и из указанных двух разностных приемных каналов один разностный приемный канал, имеющий большее среднее значение амплитуд спектра частот, выбирают в качестве измерительного канала, в отношении которого производят следующие действия:
- в указанных суммарном и измерительном приемных каналах, для каждой из М пар фильтров, имеющих одинаковую центральную частоту настройки, для выделенного канала разрешения дальности определяют М значений угла прихода сигнала путем совместной обработки амплитуд спектров частот сигналов суммарного и измерительного каналов моноимпульсным методом;
- определяют значения модуля радиальной составляющей скорости и модуля ортогональной к ней тангенциальной составляющей скорости метеорологического объекта путем совместной обработки М полученных значений угла прихода сигнала с применением метода линейного регрессионного анализа;
- определяют полный вектор скорости метеорологического объекта путем расчета значений модулей векторов вертикальной и горизонтальной составляющих его скорости на основе тригонометрических соотношений полученных значений модуля тангенциальной составляющей скорости метеорологического объекта и указанного угла поворота антенны.
2. Устройство для дистанционного измерения полного вектора скорости метеорологического объекта, выполненное в виде метеорологического радара, содержащего:
- генератор импульсного сигнала, модулирующий сигнал передатчика;
- передатчик, обеспечивающий формирование когерентного зондирующего сигнала;
антенну, излучающую зондирующий радиолокационный сигнал в пространство и принимающую радиосигналы, отраженные от метеорологического объекта;
приемное устройство, обеспечивающее усиление, когерентное детектирование принятых радиосигналов, выделение в них канала разрешения по дальности в соответствии с временем их задержки и цифровое преобразование указанных отраженных радиосигналов в массивы исходных данных в каждом соответствующем приемном канале для выделенного канала разрешения по дальности;
- устройство обработки полученных данных для определения полного вектора скорости метеорологического объекта,
отличающейся тем, что:
- в качестве антенны содержит моноимпульсную угломерную антенну (12), обеспечивающую прием сигналов, отраженных от метеорологических объектов, одновременно в суммарной диаграмме направленности антенны и в двух разностных диаграммах направленности антенны в вертикальной и горизонтальной плоскостях, и снабженную устройством поворота указанных трех диаграмм направленности антенны вокруг оси ( ) излучения зондирующего сигнала;
- приемное устройство (13) содержит три идентичных приемных канала (18, 19, 20), обеспечивающих раздельное усиление, когерентное детектирование сигналов, принятых, соответственно, по указанным суммарной и разностным диаграммам направленности антенны, выделение в них канала разрешения по дальности в соответствии с временем их задержки, и цифровое преобразование указанных принятых радиосигналов в массивы исходных данных в каждом соответствующем приемном канале для выделенного канала разрешения по дальности;
- устройство (14) обработки данных содержит:
- блок (15) цифровых фильтров (21 , 22, 23), включающий М фильтров в каждом суммарном, разностном вертикальном и разностном горизонтальном каналах, обеспечивающих узкополосную фильтрацию каждого указанного массива исходных данных в соответствующем приемном канале с получением М значений амплитуд спектров частот радиосигналов для выделенного канала разрешения по дальности;
- блок (16) управления антенной, обеспечивающий:
- сравнение средних значений М амплитуд указанных спектров частот сигналов в фильтрах (22, 23) разностных вертикального и горизонтального каналов и подачу на устройство поворота диаграмм направленности антенны (12) управляющего сигнала, обеспечивающего поворот диаграмм направленности антенны (12) вокруг оси (z) излучения зондирующего сигнала до достижения максимальной разности средних значений амплитуд указанных спектров частот сигналов в фильтрах (22,23) разностного вертикального и разностного горизонтального каналов;
- выбор из указанных двух разностных каналов одного разностного канала, имеющего большее значение средней амплитуды спектра частот в фильтрах (22, 23), в качестве измерительного канала;
- определение значения угла поворота диаграмм направленности антенны (12);
- вычислитель (17) обработки данных сигналов, обеспечивающий последовательно:
- определение М значений угла прихода сигнала путем совместной обработки амплитуд спектров частот сигналов суммарного и измерительного каналов моноимпульсным методом, для каждой из М пар фильтров в каналах фильтрации в указанных суммарном и измерительном приемных каналах, имеющих одинаковую центральную частоту настройки, для выделенного канала разрешения по дальности;
- определение значения модуля радиальной составляющей и модуля ортогональной к ней тангенциальной составляющей скорости метеорологического объекта путем совместной обработки М полученных значений угла прихода сигнала с применением метода линейного регрессионного анализа; - определение полного вектора скорости метеорологического объекта путем расчета значений модулей векторов вертикальной и горизонтальной составляющих его скорости на основе тригонометрических соотношений для полученных значений модуля тангенциальной составляющей скорости метеорологического объекта и для указанного угла поворота антенны.
PCT/RU2014/000649 2014-08-29 2014-08-29 Радиолокационный способ и устройство для дистанционного измерения полного вектора скорости метеорологического объекта WO2016032361A1 (ru)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2014/000649 WO2016032361A1 (ru) 2014-08-29 2014-08-29 Радиолокационный способ и устройство для дистанционного измерения полного вектора скорости метеорологического объекта
RU2016101159/07A RU2602274C1 (ru) 2014-08-29 2014-08-29 Радиолокационный способ и устройство для дистанционного измерения полного вектора скорости метеорологического объекта

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2014/000649 WO2016032361A1 (ru) 2014-08-29 2014-08-29 Радиолокационный способ и устройство для дистанционного измерения полного вектора скорости метеорологического объекта

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2016032361A1 true WO2016032361A1 (ru) 2016-03-03

Family

ID=55400123

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2014/000649 WO2016032361A1 (ru) 2014-08-29 2014-08-29 Радиолокационный способ и устройство для дистанционного измерения полного вектора скорости метеорологического объекта

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2602274C1 (ru)
WO (1) WO2016032361A1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114089331A (zh) * 2021-11-04 2022-02-25 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） 一种电离层不均匀等离子体的漂移测量方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2686676C1 (ru) * 2018-09-21 2019-04-30 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Способ измерения вектора перемещения транспортного средства
RU2758561C1 (ru) * 2021-02-19 2021-10-29 ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ КАЗЕННОЕ ВОЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ "Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого" МИНИСТЕРСТВА ОБОРОНЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Устройство измерения скорости подвижного наземного объекта

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6140954A (en) * 1998-01-26 2000-10-31 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Radar device
US20110304501A1 (en) * 2010-06-11 2011-12-15 Marui Hideki Radar return signal processing apparatus and method

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5442359A (en) * 1994-06-30 1995-08-15 Unisys Corporation Apparatus and method for mitigating range-doppler ambiguities in pulse-doppler radars
FR2861180B1 (fr) * 2003-10-21 2006-03-24 Centre Nat Rech Scient Procede pour l'estimation des caracteristiques d'une precipitation
FR2890450B1 (fr) * 2005-09-06 2007-11-09 Thales Sa Procede de determination par analyse doppler a haute resolution du champ de vitesse d'une masse d'air
UA23317U (en) * 2006-10-05 2007-05-25 Taifun 2000 Ltd Liability Comp Method for making sauce of emulsion type
RU2469361C1 (ru) * 2011-07-08 2012-12-10 Учреждение Российской академии наук Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН) Способ дистанционного измерения скорости ветра

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6140954A (en) * 1998-01-26 2000-10-31 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Radar device
US20110304501A1 (en) * 2010-06-11 2011-12-15 Marui Hideki Radar return signal processing apparatus and method

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KISELEV V.H. ET AL.: "Metody zondirovaniya okruzhaiuschei sredy (atmosfery).", RGGMU, 2004, St.Petersburg, pages 95 - 105 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114089331A (zh) * 2021-11-04 2022-02-25 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） 一种电离层不均匀等离子体的漂移测量方法
CN114089331B (zh) * 2021-11-04 2024-05-14 中国电波传播研究所（中国电子科技集团公司第二十二研究所） 一种电离层不均匀等离子体的漂移测量方法

Also Published As

Publication number Publication date
RU2602274C1 (ru) 2016-11-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2594759C1 (ru) Способ и устройство определения координат источника радиоизлучения
Zhidko et al. Methods for determining the angular coordinates and locations of radio sources in unmanned monitoring systems and experimental estimates of the accuracy of these parameters
RU2440588C1 (ru) Способ пассивного радиомониторинга воздушных объектов
RU2444754C1 (ru) Способ обнаружения и пространственной локализации воздушных объектов
RU146508U1 (ru) Короткоимпульсный радиолокатор с электронным сканированием в двух плоскостях и с высокоточным измерением координат и скорости объектов
RU2732505C1 (ru) Способ обнаружения и азимутального пеленгования наземных источников радиоизлучения с летно-подъемного средства
RU2557808C1 (ru) Способ определения наклонной дальности до движущейся цели пассивным моностатическим пеленгатором
RU2373551C1 (ru) Способ измерения угловых координат нескольких объектов в многоканальных доплеровских рлс
CN107783128B (zh) 基于毫米波雷达的固定翼无人机多目标防撞系统
RU2660160C1 (ru) Способ определения параметров движения воздушного объекта динамической системой радиотехнического контроля
Shi et al. Multichannel sense-and-avoid radar for small UAVs
RU2506605C2 (ru) Дальномерный способ и устройство определения координат источника радиоизлучения
RU2602274C1 (ru) Радиолокационный способ и устройство для дистанционного измерения полного вектора скорости метеорологического объекта
AU2021200307A1 (en) Aircraft acoustic position and orientation detection method and apparatus
RU2624736C2 (ru) Радиолокационная станция кругового обзора &#34;Резонанс&#34;
RU2571950C1 (ru) Способ радиомониторинга радиомолчащих объектов
RU2562060C1 (ru) Способ внешнего радиолокационного выявления факта наличия траекторных нестабильностей полета у воздушного объекта по структуре его импульсной характеристики
RU2633380C1 (ru) Система пассивной локации для определения координат летательного аппарата в ближней зоне аэродрома и на этапе захода на посадку с резервным каналом определения дальности
RU2622908C1 (ru) Радиолокационный способ обнаружения летательных аппаратов
RU2643168C2 (ru) Способ измерения высоты, истинной скорости летательного аппарата и наклона вектора скорости летательного аппарата относительно горизонта, устройство бортовой радиолокационной станции, использующее способ
RU2608551C1 (ru) Способ функционирования импульсно-доплеровской бортовой радиолокационной станции при обнаружении воздушной цели - носителя станции радиотехнической разведки
RU2444753C1 (ru) Способ радиоконтроля воздушных объектов
RU2578168C1 (ru) Глобальная наземно-космическая система обнаружения воздушных и космических объектов
RU2444756C1 (ru) Способ обнаружения и локализации воздушных объектов
RU2572357C1 (ru) Способ формирования трехмерного изображения земной поверхности в бортовой четырехканальной доплеровской рлс

Legal Events

Date Code Title Description
ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2016101159

Country of ref document: RU

Kind code of ref document: A

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 14900400

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 14900400

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1