РАДИОЛОКАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ИДЕНТИФИКАЦИИ ВОЗДУШНОГО ОБЪЕКТА С АДАПТИВНЫМ ВЫБОРОМ МОМЕНТА МАКСИМИЗАЦИИ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ЕГО РАКУРСА ПРИ ТРАЕКТОРНЫХ НЕСТАБИЛЬНОСТЯХ ПОЛЕТА В АТМОСФЕРЕ

Полезная модель относится к радиолокационной технике и может быть использована для расширения информационных возможностей радиолокационных станций по идентификации (распознаванию) сопровождаемых воздушных объектов.
Известно радиолокационное устройство идентификации воздушных объектов [1], содержащее блок распознавания и приемопередатчик, причем в состав приемопередатчика входят импульсный модулятор (ИМ), генератор, антенна, связанная своим вход-выходом с вход-выходом антенного переключателя, выход которого соединен со входом приемника, выход которого связан со вторым входом первого коммутатора, первый вход которого подключен к выходу делителя частоты, вход которого соединен с выходом импульсного модулятора и входом генератора, выход которого подключен ко входу антенного переключателя, а блок распознавания содержит квадратор, соединенный своим выходом со входом первой линии задержки, первым входом первого амплитудного накопителя со сбросом и первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу первой линии задержки, а выход - ко входу двухполупериодного выпрямителя, связанного своим выходом с первым входом второго амплитудного накопителя со сбросом, второй вход которого подключен к выходу второй линии задержки и ко второму входу первого амплитудного накопителя со сбросом, выход которого соединен со вторым входом делителя, первый вход которого подключен к выходу второго амплитудного накопителя со сбросом, а выход - к первому входу второго коммутатора, второй вход которого связан с выходом генератора импульсов сброса и входом второй линии задержки, а выход - со входом блока идентификации, причем выход первого коммутатора подключен ко входу квадратора.
Данное устройство способно идентифицировать воздушные объекты (ВО) различных классов или типов в режиме сопровождения. Признак идентификации Q, используемый в предлагаемом устройстве и выражающий интенсивность изменения амплитуды отраженного сигнала в соответствии с изменением ракурса локации и размерами воздушных объектов, является безразмерной величиной, не зависящей от дальности до объекта, что позволяет обеспечить хорошее качество идентификации в широком диапазоне дальностей. Однако используемый признак Q обеспечивает качественную работоспособность устройства только в отношении ВО, не имеющих открытых структур двигательных установок. При наличии отражений радиоволн от вращающихся элементов двигательных установок отражательная характеристика ВО (как амплитудная, так и фазовая) будет искажена и модулирована турбовинтовыми составляющими, в результате чего признак идентификации может потерять эффективность.
Отражательная характеристика (ОХ) объекта есть зависимость амплитуды отраженного объектом сигнала от времени в реальных условиях сопровождения по угловым координатам. В этом ее принципиальное отличие от диаграммы обратного рассеяния, широко известной в радиолокации. Для отражательной характеристики изменение углового положения ВО происходит с переменной угловой скоростью, которая на встречных ракурсах может даже менять свое направление.
Известно также радиолокационное устройство идентификации воздушных объектов [2], в состав которого входят приемник, два амплитудных накопителя со сбросом, две линии задержки, блок идентификации (БИ), сумматор, двухполупериодный выпрямитель, делитель, квадратор, низкочастотный фильтр, два коммутатора, импульсный модулятор, генератор, антенна, связанная своим вход-выходом с вход-выходом антенного переключателя, выход которого соединен со входом приемника, первый вход первого коммутатора подключен к выходу делителя частоты, вход которого соединен с выходом импульсного модулятора и входом генератора, выход которого подключен к входу антенного переключателя, причем квадратор соединен своим выходом со входом первой линии задержки, первым входом первого амплитудного накопителя со сбросом и первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу первой линии задержки, а выход - ко входу двухполупериодного выпрямителя, связанного своим выходом с первым входом второго амплитудного накопителя со сбросом, второй вход которого подключен к выходу второй линии задержки и ко второму входу первого амплитудного накопителя со сбросом, выход которого соединен со вторым входом делителя, первый вход которого подключен к выходу второго амплитудного накопителя со сбросом, а выход - к первому входу второго коммутатора, второй вход которого связан одновременно с выходом генератора импульсов сброса и входом второй линии задержки, а выход - со входом блока идентификации, причем выход первого коммутатора подключен ко входу квадратора, выход низкочастотного фильтра соединен со вторым входом первого коммутатора, а вход - с выходом приемника.
Данное устройство способно идентифицировать ВО по амплитудному сигнальному признаку даже в условиях проявления турбовинтового эффекта (ТВЭ). Однако используемый в нем признак идентификации предполагает изменение ракурса локации объекта, в то время как сам факт изменения ракурса не проверяется. При встречных ракурсах движения и отсутствии траекторных нестабильностей (ТН) полета [3] угловое положение ВО относительно радиолокатора не меняется. На боковых ракурсах также возможно угловое замирание объекта, если угловая скорость поворота планера летательного аппарата (ЛА), связанная с перемещением его центра масс, будет скомпенсирована противоположно направленной угловой скоростью вращения корпуса ВО, обусловленной проявлением ТН (рыскания, тангажи, крены). В моменты угловой стабильности положения планера ЛА признак идентификации, реализуемый устройством [2], теряет эффективность.
Назначение полезной модели - обеспечение эффективной идентификации объектов за счет адаптивного формирования признака идентификации в моменты максимизации угловой скорости поворота планера ВО при траекторных нестабильностях полета в турбулентной атмосфере.
Для достижения обозначенной цели в состав известного устройства распознавания [2] дополнительно вводят аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и 4 новых цифровых блока: блок вычисления коэффициентов автокорреляции (БВКА), блок сглаживания и нахождения экстремумов (БСНЭ), блок хранения данных (БХД) и блок вычисления признака идентификации (БВПИ). При этом вход АЦП подключают к выходу низкочастотного фильтра, а выход - одновременно к входу БВКА и второму входу БХД, первый вход которого соединяют с выходом БСНЭ, а выход - со входом БВПИ, выход которого связывают со входом БИ, причем вход БСНЭ подключают к выходу БВКА.
Предложенное построение схемы позволяет заявляемому устройству проводить эффективную идентификацию ВО разных размеров и конфигураций при любых ракурсах локации в условиях проявления ТН полета. Идентификацию предполагается обеспечивать, как и в [2], за счет анализа величин изменения уровней сигналов, отраженных ЛА на смежных углах пеленга при случайных рысканиях (траекторных нестабильностях) его планера.
На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого радиолокационного устройства идентификации воздушного объекта с адаптивным выбором момента максимизации угловой скорости изменения его ракурса при траекторных нестабильностях полета в атмосфере. Устройство состоит из импульсного модулятора (ИМ) 1, генератора 2, антенного переключателя 3, антенны 4, БВКА 5, АЦП 6, низкочастотного фильтра 7, приемника 8, БСНЭ 9, БХД 10, БВПИ 11 и БИ 12.
Радиолокационное устройство идентификации воздушного объекта с адаптивным выбором момента максимизации угловой скорости изменения его ракурса при траекторных нестабильностях полета в атмосфере работает следующим образом.
0
С помощью ИМ 1 возбуждается высокочастотный генератор 2, вырабатывающий радиосигналы на несущей частоте f, которые, пройдя антенный переключатель 3, излучаются в направлении ВО через антенну 4. Отраженный сигнал принимается антенной 4 и через антенный переключатель 3 подается на вход приемника 8. В блоке 8 отраженный сигнал переводится на промежуточную частоту, отфильтровывается от сигналов других станций и помех, усиливается и проходит согласованную фильтрацию (детектируется). С выхода приемника 8 видеосигнал поступает на вход низкочастотного фильтра 7.
Низкочастотный фильтр 7 выделяет из принятого сигнала его низкочастотную составляющую [4, 5], обусловленную отражениями волн только от планера ЛА. Наличие в устройстве низкочастотного фильтра 7 обусловлено следующим [2]. При турбовинтовой модуляции отраженного сигнала ОХ ВО становится сильно изрезанной. Наличие непредсказуемых амплитудных выбросов в ОХ приводит к нарушению закономерностей между размерами ВО и шириной наиболее узких лепестков ОХ. При ТВЭ узкие лепестки ОХ принадлежат турбовинтовым составляющим [4-6]. Их ширина не зависит от размеров и конфигурации объекта. В результате признак идентификации Q перестает реагировать на изрезанность планерной составляющей в ОХ. Для обеспечения работоспособности признака идентификации Q отражательную характеристику, изрезанную турбовинтовой модуляцией, сглаживают, т.е. пропускают через низкочастотный фильтр. Этот фильтр должен пропускать полезный низкочастотный сигнал и устранять высокочастотную модуляцию. Полоса фильтра должна быть меньше, чем значение частоты первых турбовинтовых составляющих спектра отраженного сигнала. Так как частоты составляющих ТВЭ лежат в диапазоне от единиц до десятков кГц [6, 7], полосу пропускания фильтра 7 целесообразно выбрать равной 500 Гц. При прохождении через такой фильтр амплитудная ОХ избавляется от турбовинтовой модуляции и становится низкочастотной планерной, т.е. пригодной для извлечения информации о размерах воздушных объектов.
Видеосигнал с выхода низкочастотного фильтра 7 поступает на вход АЦП 6, в котором его амплитуда в пике отклика приемника переводится в цифровую форму. Оцифрованная амплитуда каждого отраженного от ВО сигнала поступает с выхода АЦП 6 на вход БВКА 5 и второй вход БХД 10.
0
оц
мин
оц
оц1
оц2
оц3
оц
оц
мин
мин
В блоке 5 проводится расчет коэффициентов автокорреляции (КАК) для элементов ОХ объекта. Установлено [5, 8], что интервалам с максимальной угловой скоростью изменения ракурса ВО соответствуют участки с наибольшей изрезанностью ОХ, т.е. с минимальной шириной лепестков сглаженной планерной ОХ и с максимальным числом лепестков на фиксированном по протяженности участке планерной ОХ. Наиболее гладким участкам планерной ОХ соответствуют интервалы времени, на которых угловая скорость изменения ракурса ЛА минимальна. Наиболее изрезанным участкам планерной ОХ соответствуют интервалы времени, на которых угловая скорость изменения ракурса ЛА максимальна. Для автоматизированного выделения интервала с максимальной степенью изрезанности планерной ОХ предлагается использовать корреляционный анализ. Измерение интервала корреляции τ является затруднительным, в связи с чем предлагается оценивать уровень коррелированности по величине оценочного КАК частной выборки элементов ОХ для некоторого оценочного интервала τ. На фиг.2 показаны три автокорреляционные функции, которые соответствуют различному уровню изрезанности планерной ОХ в пределах частных выборок (ЧВ) одинакового размера. Наименьший интервал корреляции τ соответствует наибольшей изрезанности ОХ, т.е. наибольшей угловой скорости поворота ВО. Выбрав некоторую оценочную величину τ времени корреляции, для различных корреляционных функций можно получить различные оценочные КАК: ρ(τ), ρ(τ) и ρ(τ). Выбор величины τ (фиг.2) следует производить в соответствии с условием τ<τ, где τ - интервал корреляции отражений от ВО максимального размера с наибольшей угловой скоростью  поворота планера ЛА относительно радиолокационной станции.
Для измерения оценочного КАК может использоваться либо корреляционная функция двух сдвинутых между собой ЧВ, составленных из элементов амплитудной планерной ОХ, либо нормированная автокорреляционная функция частной выборки, также составленной из взятых подряд I элементов планерной ОХ объекта. Последовательность коэффициентов автокорреляции ЧВ при их сдвигах в пределах генеральной совокупности дискретных отсчетов, поступающих с выхода АЦП 6, будем называть корреляционной характеристикой (КХ) амплитудной планерной ОХ или корреляционной характеристикой объекта.
оц
оц
и
и
Если времени τ соответствует q точек массива (τ=qT, где T - период повторения импульсов радиолокационной станции, определяющий период дискретизации данных в ОХ), выражающего амплитудную планерную ОХ, то оценочный КАК R(q) для частной выборки из I дискретных отсчетов рассчитывается по формуле
x
где x(i) - величина i-го элемента амплитудной планерной ОХ в пределах ЧВ; m - математическое ожидание амплитуды принимаемого сигнала в пределах амплитудной планерной ОХ (определяется как среднее арифметическое всех значений планерной ОХ).
Нормированное значение КАК выражается формулой
ρ(q)=R(q)/R(0).
Тогда обобщенная нормированная КХ амплитудной планерной ОХ объекта из S принятых сигналов может быть сформирована на основании выражения
где U - знак объединения в массив или вектор данных.
мин
и
мин
мин
⊥
мин
и
Для получения правдоподобных значений оценочных КАК период (параметр сдвига q) дискретизации целесообразно выбирать так, чтобы интервал τ включал не менее 5 отсчетов амплитудной планерной ОХ. Значит, период повторения импульсов в радиолокаторе, выступающий при формировании ОХ и КХ в качестве интервала дискретизации, следует выбирать из условия T<τ/5. Оценка минимально возможного интервала корреляции τ для статистической модели ЛА с нормальным распределением рассеивающих центров (РЦ) при , поперечном размере ЛА L=40 м и длине волны λ=3 см дает τ=5 мс. Значит, период повторения импульсов Т должен быть не больше 1 мс, что вполне соответствует техническим характеристикам современных радиолокационных систем.
На фиг.3 показана КХ, соответствующая сигналам, отраженным от модели ВО типа В-52 при его сопровождении на дальности 30 км, при курсовом угле 30°, скорости полета V=400 м/с, амплитуде рысканий планера А=2°, максимальной угловой скорости рыскания планера при ТН  (угловая скорость рысканий планера  является нелинейной, изменяется с течением времени и принимает максимальное значение  в середине полупериода рыскания ЛА). Индекс s означает номер отсчета (принятого импульса). Кривая 1 показывает амплитудную планерную ОХ, а кривая 3 - истинную КХ, полученную на основе корреляционного анализа планерной ОХ.
Значения амплитуд принятых (отраженных ВО) импульсов поступают из АЦП 6 в БВКА 5. В блоке 5 из поступающих амплитуд создается массив данных, полученных от ВО в течение 5 секунд. Этот массив представляет собой генеральную совокупность исходных данных. В пределах этой совокупности выделяются ЧВ и проводится расчет КАК описанным выше способом. Из рассчитанных КАК составляется массив данных M1, который поступает с выхода блока 5 на вход БСНЭ 9.
и
В блоке 9 проводится сглаживание полученной КХ, представленной элементами массива M1. Истинная КХ, как правило, имеет сильную изрезанность, что затрудняет ее использование для автоматического определения интервала с максимальной угловой скоростью поворота ВО. Сглаживание истинной КХ проводится в БСНЭ 9 известными алгоритмическими методами [9]. Вариант сглаженной КХ показан на фиг.3 кривой 2. Именно такая сглаженная КХ и позволяет правильно выбрать момент максимизации угловой скорости поворота планера . При моделировании (фиг.3) был выбран период Т, равный 384 мкс. Частная выборка (для определения оценочного КАК в пределах автокорреляционной функции) включала 150 отсчетов амплитудной планерной ОХ. Каждое последующее значение оценочного КАК рассчитывалось после сдвига ЧВ на один отсчет в пределах планерной амплитудной ОХ. Первый оценочный КАК был рассчитан для ЧВ, включающей с 1-го по 150-й отсчет планерной ОХ, второй - для ЧВ, включающей со 2-го по 151-й отсчеты, и так далее.
Второе назначение блока 9 - нахождение экстремумов в сглаженной КХ. На практике гармонический характер ТН, использованный для получения характеристик, представленных на фиг.3, не наблюдается. При этом экстремумы в сглаженной КХ имеют место всегда. Вследствие этого сформированная в блоке 9 сглаженная КХ может быть использована для определения момента максимизации угловой скорости поворота планера ВО. В этих целях новый массив М2 данных, выражающий сглаженную КХ, подвергается в блоке 9 анализу, результатом которого является нахождение минимального элемента. Кроме того, определяются номера элементов, соответствующих левому и правому смежным максимумам КХ. Номера этих элементов поступают с выхода БСНЭ 9 на первый вход БХД 10. На второй вход БХД 10 с выхода АЦП 6 поступают и запоминаются в массиве М3 амплитуды принятых сигналов, то есть в массиве М3 сохраняется планерная амплитудная ОХ объекта.
Поскольку номера КАК жестко связаны с номерами элементов ОХ, то по номеру минимального КАК в массиве М3 определяется номер принятого сигнала в момент максимизации угловой скорости поворота ВО. Номера смежных максимумов необходимы для того, чтобы в обработку при формировании признака идентификации не попали сигналы, соответствующие замиранию ВО относительно радиолокационной станции.
Если обозначить номер сигнала, соответствующий левому смежному максимуму КАК через N1, номер сигнала минимизации КАК - через N2, а номер сигнала, соответствующий правому смежному максимуму КАК - через N3, то для формирования признака идентификации необходимо из массива М3 выделить рабочий массив М4, элементы которого являются подмножеством множества элементов массива М3. Номер первого элемента массива М4 должен соответствовать номеру массива М3, вычисляемому по формуле Round[|N2-N1|/2], где Round[*] - операция определения ближайшего целого числа. Номер последнего элемента массива М4 определяется по формуле Round[|N3-N2|/2]. Остальные элементы массива М3 с номерами, заключенными между числом Round[|N2-N1|/2] и числом Round[|N3-N2|/2], переносятся в массив М4 с соблюдением нумерации. То есть элемент массива М4 с номером (Round[|N2-N1|/2]+1) приобретает в массиве М4 номер 2, элемент М4 с номером (Round[|N2-N1|/2]+2) приобретает в массиве М4 номер 3 и так далее.
Данные сформированного массива М4 с выхода БХД 10 поступают на вход БВПИ 11. В данном блоке на первом этапе вычисляются квадраты амплитуд сигналов, записанных в массив М4. Затем вычисляется величина признака идентификации Q с использованием выражения [2]
где  - квадрат амплитуды отраженного воздушным объектом сигнала с номером n из массива М4; N - количество элементов в массиве М4.
Значение признака идентификации Q с выхода блока 11 поступает на вход БИ 12. Блок 12 представляет собой устройство [1], структурно состоящее из блока хранения порогов, запоминающего устройства, схемы сравнения и табло вывода результатов (на фиг.1 не показаны). Сигнал с выхода БВПИ 11 поступает на вход запоминающего устройства, которое подает входной сигнал на первый вход схемы сравнения в течение промежутка времени, необходимого для сравнения входного сигнала с набором пороговых сигналов, поступающих поочередно на 2-й вход схемы сравнения. При превышении сигналом запоминающего устройства очередного порога (пороги подаются в порядке убывания) на выход схемы сравнения проходит сигнал, пропорциональный уровню порога. Этот сигнал отключает от схемы сравнения блок хранения порогов и обнуляет выход запоминающего устройства до начала следующего цикла распознавания. Кроме того, этот сигнал поступает на табло вывода результатов, в котором в соответствии с уровнем входного сигнала загорается и встает на самоблокировку индикатор (светодиод, лампа) установленного по признаку Q класса или типа ВО.
Признак идентификации Q, используемый в предлагаемом устройстве, является безразмерной величиной, не зависящей от дальности до объекта и формируемой при активном изменении ракурса ЛА. Это позволяет обеспечить хорошее качество идентификации воздушных объектов, сопровождаемых радиолокационной станцией в широком диапазоне дальностей.
Сущность полезной модели состоит в том, что ВО, движущийся в турбулентной атмосфере [3] с ТН, независимо от величины своего курсового угла постоянно меняет свое угловое положение относительно локатора вследствие рысканий планера. Угловая скорость поворота планера за счет ТН  постоянно меняется и даже изменяет направление. Она аддитивно складывается с угловой скоростью поворота ЛА, связанной с перемещением его центра масс по прямолинейной траектории. Информация о мгновенной совокупной угловой скорости поворота ВО отсутствует, в результате чего признак идентификации может быть сформирован в момент, когда изменения ракурса не происходит. В этом случае признак идентификации обнуляется и становится одинаковым для всех типов ВО. А в другие моменты времени величина признака существенным образом зависит от величины совокупной угловой скорости поворота планера ЛА. Отсутствие учета этой информации ведет к нарушению логики формирования признака и в конечном итоге - к ошибке идентификации. Применение корреляционного анализа позволяет формировать признак идентификации строго на интервале с максимальной угловой скоростью вращения планера (корпуса) ЛА, т.е. заменять статистический подход в формировании признака детерминированным, имеющим более высокие информационные возможности.
Блок вычисления коэффициента автокорреляции 5, блок сглаживания и нахождения экстремумов 9, блок хранения данных 10 и блок вычисления признака идентификации 11 представляют собой электронные вычислительные машины или микропроцессоры, широко известные и активно используемые в современной радиолокационной технике [10, 11].
Технический эффект полезной модели состоит в том, что при идентификации ВО благодаря введению новых структурных единиц используется интервал с максимальной угловой скоростью изменения ракурса локации объекта. Это, во-первых, обеспечивает эффективность используемого признака идентификации Q, который при отсутствии поворота ВО вырождается, т.е. становится равным нулю. Во-вторых, одинаковые условия выделения признака идентификации для всех ВО позволяет уточнить значения порогов, используемых в БИ 12. Эти два фактора обеспечивают увеличение вероятности правильной идентификации ЛА разных размеров и типов. Кроме того, новое построение схемы обеспечивает эффективную работу устройства при встречных ракурсах движения ВО с ТН в турбулентной атмосфере.
Таким образом, дополнение схемы устройства блоком вычисления коэффициента автокорреляции, блоком сглаживания и нахождения экстремумов, блоком хранения данных и блоком вычисления признака идентификации обеспечивает достижение сформулированной задачи полезной модели и целесообразность использования заявляемого объекта в современных и перспективных радиолокационных системах.
Источники информации
6
1. Патент РФ №2079857. МПК G01S 13/02. Радиолокационное устройство распознавания воздушных целей. Митрофанов Д.Г., Ермоленко В.П., Максаков И.М., Аникина Е.А. Заявка №95104681. Приоритет 31.05.95. Опубл. 20.05.97. Бюлл. 14 (аналог).
7
2. Патент на полезную модель №79186. МПК G01S 13/02. Радиолокационное устройство распознавания воздушных целей, инвариантное к влиянию турбовинтового эффекта. Митрофанов Д.Г., Прохоркин А.Г., Майоров Д.А. Заявка на полезную модель №2008130938. Приоритет 29.07.2008. Опубл. 20.12.2008. Бюлл. №35 (прототип).
3. Доброленский Ю.П. Динамика полета в неспокойной атмосфере. М.: Машиностроение, 1969. 256 с.
4. Митрофанов Д.Г. Формирование радиолокационных изображений при негативном влиянии турбовинтовой модуляции. М.: Измерительная техника, 2005. №7. с.60-64.
5. Митрофанов Д.Г., Прохоркин А.Г., Нефедов С.И. Измерение поперечных размеров летательных аппаратов по частотной протяженности доплеровского портрета. М.: Радиотехника, 2008. №1. с.84-90.
6. Радиоэлектронные системы. Справочник. Основы построения и теория / Под ред. Я.Д.Ширмана. - М.: Радиотехника, 2007. 510 с.
7. Митрофанов Д.Г., Ермоленко В.П. Распознавание воздушных целей за счет измерения их пространственной протяженности. М.: Зарубежная радиоэлектроника, 1996. №1. с.53-56.
7
8. Патент РФ №2360267. МПК G01S 13/02. Способ выбора интервала инверсного синтезирования с рассчитываемой угловой скоростью поворота цели относительно радиолокатора. Митрофанов Д.Г., Прохоркин А.Г., Майоров Д.А., Сафонов А.В., Бортовик В.В. Приоритет 6.11.2007. Опубл. 27.06.2009. Бюлл. 18.
9. Кирьянов Д.В. Mathcad 12. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 576 с.
10. Фуллер С.X., Устерхут Дж. К. и др. Мультимикропроцессорные системы. Обзор и пример практической реализации // ТИИЭР, 1978. Т.66. №2. с.135-151.
11. Цифровые аналоговые интегральные микросхемы. Справочник / Под ред. С.В.Якубовского. М.: Радио и связь, 1989. 496 с.