Радиолокационное многочастотное измерение углов места маловысотных целей над морем с использованием метода ROOT-MUSIC

Предмет и цель работы. Статья посвящена проблеме высокоточных радиолокационных измерений координат целей, расположенных на малой высоте вблизи взволнованной поверхности моря. В таких условиях точным измерениям, наряду с тепловыми шумами приемника радиолокационной станции (РЛС), препятствуют помехи,...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2020
1. Verfasser:	Педенко, Ю.А.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2020
Schriftenreihe:	Радіофізика та електроніка
Schlagworte:	Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/167851
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Радиолокационное многочастотное измерение углов места маловысотных целей над морем с использованием метода ROOT-MUSIC / Ю.А. Педенко // Радіофізика та електроніка. — 2020. — Т. 25, № 1. — С. 28-37. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-167851
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1678512020-04-12T01:26:00Z Радиолокационное многочастотное измерение углов места маловысотных целей над морем с использованием метода ROOT-MUSIC Педенко, Ю.А. Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування Предмет и цель работы. Статья посвящена проблеме высокоточных радиолокационных измерений координат целей, расположенных на малой высоте вблизи взволнованной поверхности моря. В таких условиях точным измерениям, наряду с тепловыми шумами приемника радиолокационной станции (РЛС), препятствуют помехи, создаваемые отражениями радиоволн от моря, принимаемые антенной РЛС наравне с полезными сигналами от цели. Особенно остро стоит проблема измерений углов места целей. Предмет і мета роботи. Статтю присвячено проблемі високоточних радіолокаційних вимірювань координат цілей, розташованих на малій висоті поблизу схвильованої поверхні моря. За таких умов точним вимірюванням, поряд з тепловими шумами приймача радіолокаційної станції (РЛС), перешкоджають завади, створювані відбитками радіохвиль від моря, що приймаються антеною РЛС нарівні з корисними сигналами від цілі. Особливо гостро постає проблема вимірювання кутів місця цілей. Subject and Purpose. The article is devoted to the problem of precision radar measurements of target position data when a low-altitude target is above a rough sea. In these circumstances, the thermal noise of the radar receiver and the sea clutter are picked up by the radar antenna in parallel with the target useful signal and are factors affecting measurement accuracy. A particular challenge is the target elevation measurement. 2020 Article Радиолокационное многочастотное измерение углов места маловысотных целей над морем с использованием метода ROOT-MUSIC / Ю.А. Педенко // Радіофізика та електроніка. — 2020. — Т. 25, № 1. — С. 28-37. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1028-821X PACS 02.10.Yn, 02.70.–c, 05.40.Ca, 06.20.Dk, 07.05.Tp, 84.40.–x DOI: https://doi.org/10.15407/rej2020.01.028 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/167851 621.396.965.8 ru Радіофізика та електроніка Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування
spellingShingle	Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування Педенко, Ю.А. Радиолокационное многочастотное измерение углов места маловысотных целей над морем с использованием метода ROOT-MUSIC Радіофізика та електроніка
description	Предмет и цель работы. Статья посвящена проблеме высокоточных радиолокационных измерений координат целей, расположенных на малой высоте вблизи взволнованной поверхности моря. В таких условиях точным измерениям, наряду с тепловыми шумами приемника радиолокационной станции (РЛС), препятствуют помехи, создаваемые отражениями радиоволн от моря, принимаемые антенной РЛС наравне с полезными сигналами от цели. Особенно остро стоит проблема измерений углов места целей.
format	Article
author	Педенко, Ю.А.
author_facet	Педенко, Ю.А.
author_sort	Педенко, Ю.А.
title	Радиолокационное многочастотное измерение углов места маловысотных целей над морем с использованием метода ROOT-MUSIC
title_short	Радиолокационное многочастотное измерение углов места маловысотных целей над морем с использованием метода ROOT-MUSIC
title_full	Радиолокационное многочастотное измерение углов места маловысотных целей над морем с использованием метода ROOT-MUSIC
title_fullStr	Радиолокационное многочастотное измерение углов места маловысотных целей над морем с использованием метода ROOT-MUSIC
title_full_unstemmed	Радиолокационное многочастотное измерение углов места маловысотных целей над морем с использованием метода ROOT-MUSIC
title_sort	радиолокационное многочастотное измерение углов места маловысотных целей над морем с использованием метода root-music
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2020
topic_facet	Поширення радіохвиль, радіолокація та дистанційне зондування
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/167851
citation_txt	Радиолокационное многочастотное измерение углов места маловысотных целей над морем с использованием метода ROOT-MUSIC / Ю.А. Педенко // Радіофізика та електроніка. — 2020. — Т. 25, № 1. — С. 28-37. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Радіофізика та електроніка
work_keys_str_mv	AT pedenkoûa radiolokacionnoemnogočastotnoeizmerenieuglovmestamalovysotnyhcelejnadmoremsispolʹzovaniemmetodarootmusic
first_indexed	2025-07-15T01:48:19Z
last_indexed	2025-07-15T01:48:19Z
_version_	1837675684887003136
fulltext	28 ISSN 1028-821X. Radiofi z. Electron. 2019. Vol. 25, No. 1 Известно, что радиолокационное сопровожде- ние маловысотных целей происходит в усло- виях многолучевого распространения, связан- ного с отражением радиоволн от поверхности суши или моря. Многолучевые сигналы, по- ступая на вход приемного устройства радиоло- кационной станции одновременно с полезным прямым сигналом от цели, приводят к ошибкам измерения координат цели, в частности, угла места [1]. Одним из методов, позволяющих уменьшить эти ошибки, является метод высо- кого спектрального разрешения MUSIC [2]. Ва- риант этого метода root-MUSIC [3] был успеш- но испытан нами ранее путем компьютерного моделирования, а результаты испытаний опу- бликованы в ряде работ [4–7]. При их выполнении в числе прочего осу- ществлялся анализ распределений ошибок из- ISSN 1028-821X. Radiofi z. Electron. 2020. Vol. 25, No. 1: 28–37 DOI: https://10.15407/rej2020.01.028 УДК 621 .396.965.8 PACS 02.10.Yn, 02.70.–c, 05.40.Ca, 06.20.Dk, 07.05.Tp, 84.40.–x Ю.А. Педенко Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Акад. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: pedenko@ire.kharkov.ua Радиолокационное многочастотное измерение углов места маловысотных целей над морем с использованием метода root-MUSIC Предмет и цель работы. Статья посвящена проблеме высокоточных радиолокационных измерений координат целей, расположенных на малой высоте вблизи взволнованной поверхности моря. В таких условиях точным измерениям, наря- ду с тепловыми шумами приемника радиолокационной станции (РЛС), препятствуют помехи, создаваемые отражени- ями радиоволн от моря, принимаемые антенной РЛС наравне с полезными сигналами от цели. Особенно остро стоит проблема измерений углов места целей. Методы и методология работы. Известен ряд методов, позволяющих существенно повысить точность измере- ний, в том числе метод root-MUSIC. В настоящей работе выполнено исследование возможности повышения эффек- тивности этого метода за счет многочастотных измерений. Оно проводилось путем компьютерного моделирования с использованием трехчастотной РЛС X-диапазона. При моделировании использовались типичные условия: длина трас- сы – 2000 м, высота антенной решетки на уровнем моря – 12 м, угловая высота цели – от 0,2 до 0,5. Эффективность многочастотных измерений определялась путем сравнения их с результатами одночастотных измерений в идентич- ных условиях, в том числе при различных уровнях помех от моря и тепловых шумов в приемных каналах РЛС. Результаты работы. Предварительно выполнен анализ распределений ошибок измерения, полученных при обычных одночастотных измерениях, в различных фазах интерференционной структуры поля принимаемых сигналов. Его выво- ды послужили обоснованием многочастотного режима работы как средства уменьшения ошибок измерения угла мес- та цели. Исследованы зависимости ошибок измерения от угла места цели при различных реальных разносах частот. Предложен и испытан алгоритм формирования обобщенной оценки угла места на основе трех частных оценок, полу- ченных на каждой из рабочих частот. Обоснована величина разноса рабочих частот, при котором ошибки измерения достигают минимальных значений. Заключение. Показано, что одновременное использование трех рабочих частот позволяет уменьшить ошибки изме- рения не менее чем на 20…40 % по сравнению с работой на одной частоте. Ил. 8. Табл. 2. Библиогр.: 8 назв. Ключевые слова: root-MUSIC, многочастотная РЛС, маловысотная цель, угол места, многолучевое распространение, тепловой шум, моделирование, ошибки измерения. ISSN 1028-821X. Радіофіз. та електрон. 2019. Т. 25, № 1 29 Радиолокационное многочастотное измерение углов места маловысотных целей... мерения. Он выявил наличие ошибок, находя- щихся вдали от максимума их распределения, т. е. ошибок, величина которых в несколько раз превосходила их среднеквадратическое откло- нение (СКО). При этом вероятность выбро- сов ошибок возрастала с увеличением коэффи- циента диффузного отражения и уменьшени- ем отношения сигнал/шум (ОСШ). В качестве шума рассматривались тепловые шумы в при- емных каналах РЛС. Несмотря на невысокую вероятность этих выбросов, они заметно ухуд- шали статистические показатели ошибок изме- рения. Отмечено также возрастание ошибок в минимумах и максимумах поля, создаваемого интерферирующими сигналами от цели и ее зеркального отражения. На основании изложенного становится по- нятным, что исключить или хотя бы уменьшить выбросы ошибок можно путем использования измерений при несколько отличающихся усло- виях – подразумевается, что измеряемая угло- вая высота цели при этом остается практически неизменной. Если измерения разнести по вре- мени, то трансформация условий происходит за счет смены диффузных отражателей и реа- лизаций теплового шума. Однако такой подход возможен лишь при наличии времени, доста- точного для такой смены, что в реальной об- становке не всегда возможно. В связи с этим предметом изучения в данной работе являют- ся измерения, выполняемые с использованием сигналов, принятых антенной решеткой одно- моментно. В этой ситуации реализация отли- чающихся условий может быть выполнена за счет многочастотной работы в пределах одного частотного диапазона. Исследованию возмож- ности повышения точности измерений углов места маловысотных целей с использованием метода root-MUSIC за счет многочастотного ре- жима работы посвящена данная статья. 1. Методика исследований. Исследования проводились путем численного моделирования на ЭВМ по методике, аналогичной применяв- шейся в упомянутых выше работах [4–7]. Геометрия трассы, использовавшаяся при моделировании, представлена на рис. 1. На нем использованы следующие обозначе- ния: А – вертикальная приемная антенная ре- шетка, T – имитатор цели, D n , D f – «блестящая поверхность», из которой поступают диффуз- ные отражения, S – точка зеркального отраже- ния. Для исследования были выбраны типич- ные исходные условия: D  2 км – расстояние между источником излучения и антенной РЛС, h r  12 м – высота центра антенны РЛС над поверхностью моря,  max  0,05 – максималь- ный наклон неровностей морской поверхно- сти при равномерном распределении наклонов;   0,2…0,5 0,5 – относительная угловая высо- та цели над поверхностью раздела ( 0,5 – ши- рина диаграммы направленности по уровню половинной мощности, которую можно сфор- мировать с помощью раскрыва используемой антенной решетки). Длина волны на центральной частоте равня- лась  0  3,2 см, расстояние между элементами решетки –  0 / 2, количество элементов решет- ки N  156. В результате вертикальный размер решетки составлял около 2,5 м, а ширина диа- граммы направленности  0,5  1. При даль- нейшем изложении величины углов места и ошибки измерения угла места представлены по отношению к  0,5 . Параметры шероховатости, использовавшиеся для определения коэффи- циентов зеркального и диффузного отражения (табл. 1), вычислялись в виде 0sin ( / ) ,h sq    где  h – среднеквадратическая высота морских волн;  s – угол скольжения радиоволны в точке зеркального отражения S. Исследования выполнялись в три этапа. На первом этапе вычислялись реализации электромагнитных полей на элементах при- емной решетки. Поля создавались имитато- ром цели, представляющим собой точечный изотропный многочастотный источник излуче- ния. Для вычислений использовалась методи- ка, описанная в работе [8]. Для каждого сочета- ния исходных параметров, в том числе длины Таблица 1. Параметры шероховатости ( q ) и соответствующие им коэффициенты диффузного ( d ) и зеркального ( s ) отражений q d / s Характеристика отражения 0,031 0,10 / 0,93 Сильное зеркальное отражение 0,052 0,20 / 0,81 – 0,074 0,30 / 0,65 – 0,093 0,36 / 0,50 Сильное диффузное отражение 30 ISSN 1028-821X. Radiofi z. Electron. 2019. Vol. 25, No. 1 Ю.А. Педенко трассы, высоты центра приемной антенны, угловой высоты имитатора цели, коэффициен- тов зеркального и диффузного отражения, ра- бочих частот, вычислялось достаточно большое количество реализаций поля сигналов, необхо- димое для обеспечения достоверности выводов об ошибках измерения угла места. Эти реали- зации отличались друг от друга только исполь- зуемым для их вычисления исходным набором множества элементарных диффузных отраже- ний, описываемых случайными параметрами: амплитудой, фазой отражения и положением на «блестящей поверхности». При вычислениях использовался ряд допу- щений. Так, фаза и амплитуда элементарных диффузных отражений, а также положение фа- зовых центров площадок, создающих эти от- ражения, относящиеся к текущей реализации поля, полагались одинаковыми на всех рабочих частотах. Это было вызвано тем, что в рамках используемой модели поля [8] эти величины не имеют прямой функциональной зависимо- сти от частоты сигнала. Следствием является тот факт, что степень частотной декорреляции сигналов на элементах приемной антенной ре- шетки при моделировании будет меньше, чем в реальных условиях. В связи с этим ожидае- мое улучшение эффективности многочастотно- го метода root-MUSIC по сравнению с одночас- тотным по результатам моделирования следует рассматривать в качестве нижнего предела та- кого улучшения. Расчет реализаций поля принимаемых сиг- налов проводился в диапазоне разностей фаз между прямым и зеркальным сигналами в цен- тре решетки    0, 20, 40…360, относящих- ся к центральной рабочей частоте. При модели- ровании заданные значения разности фаз при неизменных остальных параметрах задавались путем искусственного изменения фазы отраже- ния зеркального сигнала от поверхности раз- дела (в действительности фаза отражения при скользящих углах распространения радиоволн близка к 180). Требуемого результата можно достичь и другими способами, например, за счет изменения высоты антенны РЛС. Одна- ко выбранный путь способствовал упрощению процесса моделирования и интерпретации по- лученных результатов. В результате выполнения первого этапа соз- давалась база данных, содержащая реализации комплексных сигналов на элементах вертикаль- ной антенной решетки jnA ( j – порядковый но- мер рабочей частоты РЛС; n  1, 2, … N – номер элемента решетки, начиная с нижнего). Коли- чество реализаций для каждого сочетания пара- метров трассы составляло в разных опытах от 2 до 10 тысяч для каждой из рабочих частот. Ко- личество рабочих частот J в исследовании было выбрано равным 3, а разносы между ними – 2, 4 и 8 % от центральной частоты, что можно без затруднений реализовать на практике. В настоящем исследовании использовались априорные параметры метода, при которых ре- ализовывалась высокая точность измерений в широком диапазоне уровней диффузного отра- жения: размерность подпространства сигналов M  5, количество пространственных выборок сигнала K  26, порядок автокорреляционной матрицы принятых сигналов p  9. Основой та- кого выбора послужили выводы работы [7], в которой изучалось влияние априорных параме- тров метода root-MUSIC на точность измерений при учете помех, создаваемых как многолуче- выми сигналами, так и тепловыми шумами. Чтобы получить заданное количество про- странственных выборок, основная решетка, состоявшая из N элементов, разбивалась на Рис. 1. Геометрия трассы U Dn S Df D T A hr maxmax s  0,5 0 ISSN 1028-821X. Радіофіз. та електрон. 2019. Т. 25, № 1 31 Радиолокационное многочастотное измерение углов места маловысотных целей... K  26 смежных подрешеток, включающих по I  6 элементов каждая. На базе каждой из под- решеток синтезировалась приемная антенна и рассчитывался принимаемый ею сигнал. Весовые коэффициенты для элементов под- решеток рассчитывались с использованием функции Хэмминга, что обеспечивало уровень боковых лепестков синтезированных антенн не более –40 дБ. Пространственная выборка при- нимаемых сигналов, которая формировалась приемной антенной, синтезированной на базе k-й подрешетки, вычислялась по формуле: 1 . I k ki i k i U a G w      Здесь ( 1)ki i I ka A     сигнал на i-м элементе k-й подрешетки; G i  значение весового коэф- фициента на i-м элементе подрешетки; kw  тепловой шум в k-м приемном канале, причем kw  dir 1 ( ) , I k k i i x j y a G    где a dir – амплитуда прямой волны на каждом из N элементов антенной решетки, ОСШ – в на- шем случае представляет отношение амплиту- ды прямого сигнала от цели, принятого каждой из элементарных антенн, к среднеквадратиче- ской амплитуде тепловых шумов подключен- ного к ней приемного канала; x k , y k – независи- мые случайные числа с нулевыми средними и дисперсиями 0,5, распределенные по нормаль- ному закону. Отношение сигнал/шум в каждом из приемных каналов задавалось равным , 40, 30 и 20 дБ. На втором этапе моделировалось измерение углов места. Для каждого независимого соче- тания диффузных отражателей было получе- но по три частных оценки угла места источни- ка излучения, каждая из которых относилась к соответствующей рабочей частоте. Эти част- ные оценки использовались для определения обобщенной оценки, которая и принималась за измеренный угол места цели. Для получения обобщенной оценки был предложен и исполь- зован следующий алгоритм: 1. Если все три частных оценки находятся в диапазоне угловых высот 0… 0,5 (UAD на рис. 1), то за обобщенную оценку прини- мается среднеарифметическое значение толь- ко двух наименее отличающихся друг от друга частных оценок. 2. Если в указанный диапазон попадают толь- ко две частных оценки, то обобщенное значе- ние вычисляется как среднеарифметическое этих частных оценок. 3. Если в указанный диапазон попадает толь- ко одна частная оценка, то она принимается за обобщенную оценку. 4. Если все частные оценки попадают за пре- делы диапазона 0… 0,5 , то за обобщенную оценку принимается значение 0,5 0,5. Оценка, относящаяся к центральной частоте, принималась за измеренный угол места при од- ночастотном режиме работы. На третьем этапе проводилась статистиче- ская обработка полученных результатов. Были найдены распределения ошибок измерения угла места цели для конкретных разностей фаз между прямым и зеркальным сигналами в центре решетки (   0, 100 и 180), а так- же распределения, усредненные по диапазону разностей фаз, расположенных равновероятно на интервале от 0 до 360. Для тех же условий были получены среднеквадратические значе- ния ошибок измерения угла места. Также была оценена эффективность многочастотных изме- рений по сравнению с одночастотными. 2. Результаты моделирования. Рассмот- рим представленные на рис. 2 и 3 распределе- ния ошибок, полученные при одночастотных измерениях, для нескольких типичных случа- ев интерференции прямого и зеркального сиг- налов: в максимуме поля (   0), в миниму- ме поля (   180) и в промежуточном слу- чае (   100). Графики на рис. 2 получены при отсутствии шумов в приемных каналах, т. е. при ОСШ  , а на рис. 3 – при их высо- ком уровне, ОСШ  20 дБ. Верхние графики на этих рисунках получены при сильном зеркаль- ном отражении ( d  0,1;  s  0,93), а нижние – при сильном диффузном отражении ( d  0,36;  s  0,50). Отметим следующие особенности распре- делений: • Ширина центральной области распределе- ний в промежуточном случае уже, чем в экс- тремумах поля. • Пики распределений в промежуточном случае интерференции расположены в области 32 ISSN 1028-821X. Radiofi z. Electron. 2019. Vol. 25, No. 1 Ю.А. Педенко минимальных ошибок измерения независимо от уровня помех. В то же время пики распре- деления в экстремумах поля смещены (в мак- симуме поля – в сторону поверхности моря, в минимуме – в противоположную сторону). Величина смещения повышается как с ростом диффузного отражения, так и с ростом шумов в приемных каналах. • «Хвосты» распределений в промежуточ- ных случаях интерференции либо отсутству- ют (рис. 2), либо их уровень значительно ниже, чем в экстремумах поля (рис. 3). Анализ этих особенностей приводит к вы- воду, что для снижения ошибок следует избе- гать измерений вблизи экстремумов поля. И, хотя предложенный в данной работе способ уменьшения ошибок, в основу которого по- ложена многочастотная работа, не исключает полностью такой ситуации, все же в достаточ- но высокой степени позволяет уменьшить ее вероятность. Рассмотрим распределения ошибок при многочастотной работе. Они представлены на рис. 4 и 5. Уровни помех, при которых они по- лучены, те же, что на рис. 2 и 3 соответствен- но. На рис. 4 и 5 для сравнения показаны так- же распределения, относящиеся к одночастот- ной работе. Распределения, приведенные на них, получены при равновероятном распреде- лении разностей фаз между прямым и зеркаль- ным сигналом   на интервале 0…360 (в слу- чае многочастотной работы эти разности отно- сятся к центральной рабочей частоте). Анализ распределений, представленных на рис. 4 и 5, показывает, что при переходе от одно- частотного к многочастотному режиму работы происходят следующие изменения: • сужается ширина центральной области распределений; • снижается до нуля либо становится нич- тожно малым уровень «хвостов» распределе- ний. Благодаря этим изменениям происходит за- метное уменьшение среднеквадратических оши- бок измерения угла места. Об этом можно су- дить по данным на рис. 6. На каждом графике представлено по четыре зависимости ошибок измерения в функции действительной угловой высоты имитатора цели. Одна из них получе- на при одночастотных, а остальные три – при Рис. 2. Распределение ошибок измерения угла места при одночастотных измерениях, ОСШ  : а – сильное зер- кальное отражение; б – сильное диффузное отражение; – максимум поля; – промежуточная ситуация; – минимум поля П ло тн ос ть в ер оя тн ос ти 100 10 1 0,1 0,01 –0,3 –0,2 –0,1 0 0,1 0,2 0,3  б а 100 10 1 0,1 0,01 Рис. 3. Распределение ошибок измерения угла места при одночастотных измерениях, ОСШ  20 дБ: а – сильное зеркальное отражение; б – сильное диффузное отраже- ние; – максимум поля; – промежуточная си- туация; – минимум поля а –0,3 –0,2 –0,1 0 0,1 0,2 0,3  б П ло тн ос ть в ер оя тн ос ти 100 10 1 0,1 0,01 100 10 1 0,1 0,01 ISSN 1028-821X. Радіофіз. та електрон. 2019. Т. 25, № 1 33 Радиолокационное многочастотное измерение углов места маловысотных целей... многочастотных измерениях с использованием различных разносов частот  f. Данные охваты- вают широкий диапазон уровней диффузного и зеркального отражения и тепловых шумов в приемных каналах. Графики организованы в виде таблицы разме- ром 3  4. Каждая ее строка получена при соот- ветствующем ОСШ (указано с правой стороны каждой строки графиков), а каждый столбец со- ответствует одному из сочетаний уровней диф- фузного и зеркального отражения (указан над каждым столбцом). Главный вывод, следую- щий из анализа рис. 6, состоит в том, что много- частотный режим работы, несомненно, позво- ляет повысить точность измерений, так как кривые ошибок в этом режиме во всех без ис- ключения условиях лежат ниже кривых, отно- сящихся к одночастотным измерениям. Также видно, что увеличение разноса частот приводит в той или иной степени к уменьше- нию ошибок измерения. Степень этого умень- шения зависит как от угловой высоты источни- ка излучения, так и от величины и типа помехи. Следует отметить, что при одночастотных измерениях тепловые шумы существенно уве- личивают ошибки измерения. Особенно силь- но их влияние проявляется при сильном зер- кальном отражении, когда уровень диффузного отражения по сравнению с уровнем тепловых шумов становится меньше, а интерференцион- ные минимумы и максимумы поля выражены более глубоко. Однако именно в этом случае многочастотная работа особенно эффективна. Дело в том, что в отличие от помех, создавае- мых диффузным отражением, тепловые шумы в различных частотных каналах, относящихся к одному и тому же элементу решетки, незави- симы друг от друга при любых разносах частот. Это способствует резкому уменьшению оши- бок измерения при переходе к многочастотной работе, если помехи представлены в основном тепловыми шумами. Это хорошо видно во вто- рой и третьей строке графиков на рис. 6, осо- бенно при возрастании уровня зеркального отражения. Для оценки эффективности многочастотных измерений воспользуемся параметром  , пред- ставляющим отношение разности среднеквад- ратических ошибок измерения при одночас- тотных и многочастотных измерениях к пер- Рис. 4. Распределение ошибок измерения угла места при многочастотных измерениях, ОСШ = : а – сильное зер- кальное отражение; б – сильное диффузное отражение; – измерения на одной частоте, – многочастот- ные измерения а б П ло тн ос ть в ер оя тн ос ти 100 10 1 0,1 0,01 0,001 –0,3 –0,2 –0,1 0 0,1 0,2 0,3  100 10 1 0,1 0,01 0,001 Рис. 5. Распределение ошибок измерения угла места при многочастотных измерениях, ОСШ = 20 дБ: а – сильное зеркальное отражение; б – сильное диффузное отраже- ние; – измерения на одной частоте, – много- частотные измерения а б П ло тн ос ть в ер оя тн ос ти –0,3 –0,2 –0,1 0 0,1 0,2 0,3  100 10 1 0,1 0,01 0,001 100 10 1 0,1 0,01 0,001 34 ISSN 1028-821X. Radiofi z. Electron. 2019. Vol. 25, No. 1 Ю.А. Педенко вой из них. Рассмотрим ситуацию, при которой помехи представлены исключительно много- лучевыми сигналами. Ошибки измерения для нее представлены в первой строке графиков на рис. 6 при ОСШ  , а оценка эффективности многочастотных измерений  , представлена на рис. 7 для 3-х разносов частот. На нем приведе- ны зависимости параметра  от угловой высо- ты источника излучения. Левый график полу- чен при разносе частот  f  2 %, средний – 4 %, правый – 8 %. На каждом графике содержатся по четыре зависимости, относящиеся к различ- ным сочетаниям коэффициентов диффузного и зеркального отражения. Обратим внимание на график (рис. 7, а), полученный при наименьшем из использо- вавшихся разносов  f  2 %. На нем наблю- дается невысокая эффективность при малых значениях угловой высоты цели , а затем – уверенный рост с увеличением ее угловой вы- соты. Так, если при минимальном значении   0,2 0,5   6…9 %, то при максимальном зна- чении   0,5 0,5 эффективность достигает зна- чений   22…25 %. Из этого следует, что при малых угловых высотах разнос частот  f  2 % не обеспечивает существенное отличие усло- вий интерференции на разных частотах. Действительно, разность фаз между прямым и зеркальным сигналами   на некоторой час- тоте f составляет 0 22 ,r th hf ñ D    где c – скорость света;  0 – фаза отражения зеркальной волны от поверхности моря. Лег- ко показать, что изменение разности фаз меж- ду прямым и зеркальным сигналом при пере- ходе от частоты f к частоте f   f при условии  0  const и h t / D   составляет 4 .r f h ñ    Отсюда следует, что изменение разности фаз пропорционально разносу частот, высоте при- емной антенны и угловой высоте цели. Зна- чения этого изменения для трех использовав- 0,2 0,3 0,4 0,5 0,2 0,3 0,4 0,5 0,2 0,3 0,4 0,5 0,2 0,3 0,4 0,5  Рис. 6. Ошибки измерения угла места: – одночастотные измерения; – ∆ f = 2 %; – ∆ f = 4 %; – ∆ f = 8 % 0,04 0,03 0,02 0,01 0,04 0,03 0,02 0,01 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0  С КО    О С Ш  2 0 дБ О С Ш  3 0 дБ О С Ш   d  0,36; s  0,50 d  0,30; s  0,65 d  0,20; s  0,81 d  0,10; s  0,93 ISSN 1028-821X. Радіофіз. та електрон. 2019. Т. 25, № 1 35 Радиолокационное многочастотное измерение углов места маловысотных целей... шихся при расчетах разносах частот и четырех угловых высот цели приведены в табл. 2. Сопоставив данные табл. 2 с графиками на рис. 7, а, видим, что наибольшая эффектив- ность достигается при значениях   не ме- нее 50. Такой же вывод можно сделать и на основании графиков на рис. 8, полученных при учете не только многолучевых помех, но и тепловых шумов приемного устройства при ОСШ  20 дБ. На рис. 7 и 8 можно видеть на некоторых участках графиков уменьшение эффективнос- ти многочастотной работы при   > 50. Та- кой эффект наблюдается, когда значение   находится в окрестности величин кратных 90. Здесь повышается вероятность экстрему- мов поля одновременно на двух крайних, а то и на всех трех рабочих частотах. Описанной си- туации соответствуют пониженные значения эффективности многочастотной работы при угловой высоте цели 0,5 0,5 на рис. 7, б и 8, б, где   94, а также на рис. 7, в и 8, в, где    188 (см. табл. 2). Выводы. Выполнено компьютерное модели- рование радиолокационного измерения углов места маловысотных целей над морем с ис- пользованием метода root-MUSIC при одно- временной работе на трех частотах. Учтены Таблица 2. Изменение разности фаз , градусы f, %  0,2 0,3 0,4 0,5 2 19 28 38 47 4 38 57 75 94 8 75 113 151 188 Рис. 7. Повышение точности измерения угла места при учете помех исключительно многолучевого рас- пространения: а – ∆ f = 2 %; б – ∆ f = 4 %; в – ∆ f = 8 %; – d = 0,36; – d = 0,30; – d = 0,20; – d = 0,10 % 20 10 0 0,2 0,3 0,4 0,5 0,2 0,3 0,4 0,5 0,2 0,3 0,4  а б в Рис. 8. Повышение точности измерения угла места при учете помех многолучевого распространения и тепловых шумов пеленгатора (ОСШ = 20 дБ): а – ∆ f = 2 %;б – ∆ f = 4 %; в – ∆ f = 8 %; – d = 0,36; – d = 0,30; – d = 0,20; – d = 0,10 % 40 30 20 10 0 0,2 0,3 0,4 0,5 0,2 0,3 0,4 0,5 0,2 0,3 0,4  а б в 36 ISSN 1028-821X. Radiofi z. Electron. 2019. Vol. 25, No. 1 Ю.А. Педенко помехи, создаваемые многолучевым отраже- нием от моря и тепловыми шумами в прием- ных каналах РЛС. Исследование выполнялось как при сильном, так и при слабом диффузном отражении. Предложен и испытан простой алгоритм по- лучения оценки угла места цели при одновре- менной работе на трех частотах. Обоснован выбор разноса частот при много- частотной работе, обеспечивающего сущест- венное повышение точности измерений. Показано, что использование метода root- MUSIC при работе на трех частотах позволяет повысить точность измерений угла места мало- высотных целей на 20…40 % по сравнению со случаем одночастотной работы. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Бартон Д. Радиолокационное сопровождение целей при малых углах места. Тр. Ин-та инж. по электротехнике и радиоэлектрон. 1974. Т. 62, № 6. С. 37–61. 2. Марпл.-мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. Пер. с англ. под ред. И.С. Рыжака. Москва: Мир, 1990. 584 с. 3. Шахтарин Б.И., Ковригин В.А. Методы спектрального оценивания случайных процессов. Москва: Гелиос АРВ, 2005. 248 с. 4. Педенко Ю.А. Особенности использования метода MUSIC для измерения угла места маловысотных целей над взволнованной поверхностью моря. Радиофизика и электроника. 2010. Т. 1(15), № 3. С. 65–70. 5. Педенко Ю.А. Выбор параметров метода root-MUSIC при радиолокационном измерении углов места целей вблизи поверхности моря. Радиофизика и электроника. 2013. Т. 4(18), № 1. С. 53–58. 6. Педенко Ю.А. Измерение углов места целей над морем с использованием метода root-MUSIC. Выбор решения. Радиофизика и электроника. 2014. Т. 19, № 4. С. 33–41. 7. Педенко Ю.А. Радиолокационное измерение углов места маловысотных целей над морем методом root-MUSIC в условиях помех от сигналов многолучевого распространения и тепловых шумов пеленгатора. Радиофизика и электроника. 2016. Т. 7(21), № 1. С. 22–33. DOI: https://doi.org/10.15407/rej2016.01.022. 8. Разсказовский В.Б., Педенко Ю.А. Модель поля миллиметровых и сантиметровых волн над морем для исследования методов измерения углов места низколетящих целей. Радиофизика и электроника: сб. науч. тр. НАН Украины. Харьков, 2003. Т. 8, № 1. С. 22–33. Стаття надійшла 08.08.2019 REFERENCES 1. Barton D.K., 1974. Low-Angle Tracking. Proc. IEEE, 62(6), pp. 687–704. 2. Marple, S.L., 1979. Digital Spectral Analysis with Application. Translated from English by I.S. Ryzhak. Moscow: Mir Publ. (in Russian). 3. Shahtarin, B.I., Kovrigin, V.A., 2005. Methods of spectral estimation of random processes. Moscow: Gelios ARV Publ. (in Russian). 4. Pedenko, Yu.A., 2010.Using of the Music Algorithm to Elevation Angle Measurement of Low-Altitude Targets over Rough Sea Surface. Radiofi z. Elektron., 1(15)(3), pp. 65–70 (in Russian). 5. Pedenko, Yu.A., 2013.The choice of root-MUSIC parameters for radar measurements of target elevation near sea surface. Radiofi z. Elektron., 4(18)(1), pp. 53–58 (in Russian). 6. Pedenko, Yu.A., 2014. Elevation Angle Measurement above the Sea Surface Using the Root-Music Method.Selection of Solutions. Radiofi z. Elektron., 5(19)(4), pp. 33–41 (in Russian). 7. Pedenko, Yu.A., 2016. Radar elevation angles measurements of low-altitude targets over the sea by root-MUSIC method under interference from multipath and thermal noise of direction fi nder. Radiofi z. Elektron., 7(21)(4), pp. 22–33 (in Russian). DOI: https://doi.org/10.15407/rej2016.01.022. 8. Razskazovsky, V.B., Pedenko, Yu.A., 2003. Modeling Millimeter and Centimeter Wavelength Fields over the Sea in the Analysis of Elevation Angle Estimation Methods for Low-Flying Aerial Targets. In: V.M. Yakovenko, ed. 2003. Radiofi zika i elektronika. Kharkov: IRE NAS of Ukraine Publ. 8(1), pp. 22–33 (in Russian). Received 08.08.2019 Yu.A. Pedenko O.Ya. Usikov IRE of NASU 12, Acad. Proskura St., Kharkov, 61085, Ukraine RADAR MULTIFREQUENCY MEASUREMENT OF ELEVATION ANGLES OF LOW-ALTITUDE TARGETS ABOVE THE SEA USING THE ROOT-MUSIC METHOD Subject and Purpose. The article is devoted to the problem of precision radar measurements of target position data when a low- altitude target is above a rough sea. In these circumstances, the thermal noise of the radar receiver and the sea clutter are picked up by the radar antenna in parallel with the target useful signal and are factors aff ecting measurement accuracy. A particular challenge is the target elevation measurement. ISSN 1028-821X. Радіофіз. та електрон. 2019. Т. 25, № 1 37 Радиолокационное многочастотное измерение углов места маловысотных целей... Methods and Methodology. A number of methods are known to signifi cantly improve the measurement accuracy. The root- MUSIC method is among them, and the present paper examines a possibility to improve its performance due to multi-frequency measurements. The study is conducted by means of computer simulation using three-frequency X-band radar at the typical conditions: the path length is 2000 m, the antenna array height above the sea level is 12 m, the target angle of altitude is 0.2 to 0.5. The multi-frequency measurement performance is evaluated by comparison with the single-frequency results obtained in the identical conditions with various sea clutter levels and diff erent thermal noise fi gures in radar reception channels. Results. A preliminary analysis has been given to the measurement error distribution during conventional single-frequency measurements through diff erent phases of the interference fi eld structure of the received signal. It has proved the multi-frequency mode of operation as a means for the error reduction in target elevation measurements. The measurement error dependences on target elevation angles were studied with various real-valued frequency separations. Based on three particular estimates at each of the operating frequencies, an algorithm of the generalized estimation of the elevation angle has been developed and tested. An operating frequency separation to keep measuring errors to a minimum has been justifi ed. Conclusion. It has been shown that a simultaneous use of three operating frequencies can reduce measurement errors by no less than 20...40% compared with the operation at a single frequency. Key words: root-MUSIC, multifrequency radar, low-altitude target, elevation angle, multipath, thermal noise, simulation, measurement errors. Ю.А. Педенко Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України 12, вул. Акад. Проскури, Харків, 61085, Україна РАДІОЛОКАЦІЙНЕ БАГАТОЧАСТОТНЕ ВИМІРЮВАННЯ КУТІВ МІСЦЯ МАЛОВИСОТНИХ ЦІЛЕЙ НАД МОРЕМ З ВИКОРИСТАННЯМ МЕТОДУ ROOT-MUSIC Предмет і мета роботи. Статтю присвячено проблемі високоточних радіолокаційних вимірювань координат цілей, роз- ташованих на малій висоті поблизу схвильованої поверхні моря. За таких умов точним вимірюванням, поряд з тепло- вими шумами приймача радіолокаційної станції (РЛС), перешкоджають завади, створювані відбитками радіохвиль від моря, що приймаються антеною РЛС нарівні з корисними сигналами від цілі. Особливо гостро постає проблема вимі- рювання кутів місця цілей. Методи і методологія роботи. Відома низка методів, що дозволяють істотно підвищити їх точність, в тому числі метод root-MUSIC. У цій роботі досліджено можливості підвищення ефективності цього методу за рахунок багаточас- тотних вимірювань. Дослідження проводилося шляхом комп’ютерного моделювання з використанням тричастотної РЛС X-діапазону. При моделюванні використовувалися типові умови: довжина траси – 2000 м, висота антенної решітки над рівнем моря – 12 м, кутова висота цілі – від 0,2 до 0,5. Ефективність багаточастотних вимірювань визначалася шляхом порівняння їх з результатами одночастотних вимірювань в ідентичних умовах, у тому числі для різних рівнів завад від моря і теплових шумів у приймальних каналах РЛС. Результати роботи. Виконано попередньо аналіз розподілів похибок вимірювання, що отримані при звичайних одно- частотних вимірюваннях у різних фазах інтерференційної структури поля сигналів. Його висновки слугують обґрун- туванням багаточастотного режиму роботи як засобу зменшення похибок вимірювання кута місця цілі. Досліджено залежності похибок вимірювання від кута місця цілі для різних реальних розносах частот. Запропоновано та випробу- вано алгоритм формування узагальненої оцінки кута місця на основі трьох окремих оцінок, що отримані на кожній з робочих частот. Обґрунтовано величину розносу робочих частот, при якому помилки вимірювання досягають мінімаль- них значень. Висновок. Показано, що одночасне використання трьох робочих частот дозволяє зменшити похибки вимірювання не менше ніж на 20...40 % порівняно з роботою на одній частоті. Ключові слова: root-MUSIC, багаточастотна РЛС, маловисотна ціль, кут місця, багатопроменеве поширення, тепло- вий шум, моделювання, похибки вимірювання.

Радиолокационное многочастотное измерение углов места маловысотных целей над морем с использованием метода ROOT-MUSIC

Institution

Ähnliche Einträge