СПОСОБ КОМПЛЕКСНОЙ ЛОКАЦИИ ЦЕЛИ
METHOD FOR COMPLEX TARGET LOCATION

Настоящее изобретение относится к способам и средствам для определения местоположения объектов в пространстве и их исследования с использованием отраженных волн оптического и радиодиапазонов.
Известен способ радиолокации объектов в воздухе [1], включающий размещение источника зондирующего электромагнитного излучения заданного диапазона длин волн перед отражающей поверхностью, формирование параллельного пучка за счет взаимодействия излучения источника с отражающей поверхностью, регистрацию отклика и определение коэффициента отражения радиосигналов от объекта, при этом отражающую поверхность формируют за счет поляризации молекул воздуха электромагнитным излучением определенной частоты, создаваемым дополнительным источником электромагнитного излучения.
Однако данный способ не включает в себя информацию в оптическом диапазоне локации, что не позволяет добиться высокой точности обнаружения объектов.
Известен способ обнаружения воздушных целей [2], заключающийся в том, что перед обработкой принятых радиолокационных сигналов определяют зависимость частоты отраженных сигналов от различных областей воздушной среды от глубины (дальности) расположения этих областей в пределах контролируемого объекта и находят нормированные значения корреляционной функции зондирующих и отраженных сигналов при найденных значениях дальности, затем повторяют операции по нахождению нормированных значений корреляционной функции в присутствии воздушной цели в контролируемом объеме, сравнивают эти значения с соответствующими ранее определенными значениями корреляционной функции, принимают решение о наличии цели и определяют ее положение по дальности в пределах контролируемого объема. Кроме того, производят ионизацию воздушной среды излучением в виде узкого лазерного пучка, сканирующего контролируемый объем одновременно в вертикальном и горизонтальном направлениях.
К недостаткам данного способа относятся ограниченные функциональные возможности, проявляющиеся в том, что формируемое лазерное излучения не используется для измерения характеристик цели, при этом признаковое пространство цели формируется при обработке отраженных радиолокационных сигналов.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ формирования зондирующих сигналов комплексной радиолокационной системы [3], согласно которому излученные зондирующие импульсы оптического и радиолокационного диапазонов распространяются в одном направлении до исследуемого объекта, а формируемые синхронно лазерные и радиолокационные зондирующие сигналы имеют одинаковый вид поляризации, при этом измеряются параметры векторов Стокса отраженных сигналов и формируется признаковое пространство цели.
Недостатком данного способа является то, что в признаковом пространстве цели отсутствует сигнал максимальной контрастности цели, который указывает на наличие цели в точке зондируемого пространства. Матрицы рассеяния в оптическом и радиодиапазоне в общем случае различные, а зондирующие импульсы имеют одинаковую поляризацию, поэтому получить сигналы максимальной контрастности цели одновременно в радио- и оптическом диапазонах в общем случае в данном способе не представляется возможным.
Известен радиолокатор «Обзор-1» [4], который работает в радиодиапазоне и имеет две идентичные приемную и передающую антенны. Поляризационные характеристики антенн могут изменяться, при этом поляризация излучаемых колебаний изменяется от линейной до круговой. Отраженные от целей высокочастотные сигналы после понижения их частоты в системе до значения промежуточной частоты поступают на усилитель промежуточной частоты, детектор, видеоусилитель и индикаторное устройство.
Данный радиолокатор позволяет повышать контрастность цели за счет увеличения уровня отраженного сигнала от цели и уменьшения уровня отраженного сигнала от подстилающей поверхности и цели (фоновый сигнал). Понятие подстилающая поверхность может быть охарактеризовано как пространство, в котором расположен исследуемый объект, и создающее отраженный сигнал, аддитивный отраженному сигналу от исследуемого объекта. В качестве подстилающей поверхности могут быть приняты гидрометеоры, пылевое облако, поверхность земли, водная поверхность и т.п. Повышение контрастности на практике производится путем изменения поляризационных характеристик зондирующего сигнала и приемной антенны. Однако этот процесс может быть длительным ввиду необходимости перебора большого числа комбинаций из-за отсутствия алгоритма подбора этих поляризационных характеристик и поэтому указанный процесс может не закончиться достижением максимальной контрастности цели. Недостатком является также то, что признаковое пространство цели в этом радиолокаторе характеризуется лишь интенсивностью сигнала, приходящего на приемное устройство, который в общем случае не является сигналом максимальной контрастности цели.
Известна комплексная прицельная система [5], состоящая из радиолокационного и лазерного каналов, в которой пространственный поиск и обнаружение цели осуществляет обзорная радиолокационная станция, имеющая достаточно широкую диаграмму направленности приемопередающей антенны, что сокращает время обзора. При этом точное измерение координат обнаруженной цели производится с помощью лазерного локатора, а формирование зондирующих сигналов обзорной РЛС и лазерного локатора производится раздельно для каждой из подсистем.
Однако отсутствие сонаправленности в распространении излучений приводит к невозможности использования совмещенной поляризационной обработки принятых сигналов и проведения измерения поляризационных характеристик объекта в радиолокационном и оптическом диапазонах длин волн одновременно.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству для осуществления способа является устройство комплексной радиолокационной системы, раскрытое в [3].
Данное устройство содержит каналы оптического и радиодиапазонов, в которых имеются источники излучения оптического и радиодиапазонов, снабженные устройствами для измерения параметров вектора Стокса принятого излучения.
Параметры вектора Стокса принятого излучения оптического и радиодиапазонов образуют признаковое пространство цели.
Однако данное устройство обладает существенными ограничениями по точности, поскольку в этом устройстве для подавления фонов (получение сигнала максимальной контрастности цели) при получении сигналов, образующих признаковое пространство цели, не учитываются поляризационные свойства зондирующих сигналов, поляризационные свойства фонового (мешающего) излучения и поляризационные характеристики исследуемых целей.
Задачей заявляемой группы изобретений является создание способа и устройства комплексной локации цели, в которых для формирования признакового пространства цели используют сигнал максимальной его контрастности.
Технический результат - повышение точности обнаружения цели и улучшение характеристик обнаружения цели за счет снижения вероятности ложной тревоги и пропуска цели, так как распознавание типа цели будет производиться только в точках пространства, локационные характеристики которых существенно отличаются от локационных характеристик подстилающей поверхности.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе комплексной локации цели, основанном на излучении высокочастотных импульсов каналами оптического и радиодиапазонов волн, излучаемых синхронно и с одинаковой длительностью, по известной матрице рассеяния цели или по известной матрице рассеяния подстилающей поверхности цели формируют зондирующие сигналы с переменной поляризацией, определяют контрастность лоцируемого пространства по отраженному сигналу, поляризацию изменяют до получения сигналов максимальной контрастности цели в обоих каналах локации, по которым судят о координатах и типе цели.
Целесообразно осуществлять формирование зондирующих сигналов с переменной поляризацией путем установки заранее определенного фазового сдвига и интенсивностей ортогональных компонент поляризационного излучения.
Оптимально получать сигнал максимальной контрастности цели последовательным перебором векторов Стокса источника излучения с учетом параметров фильтрации.
Предпочтительно сигнал максимальной контрастности цели получать последовательным перебором членов ряда значений угла поворота плоскости поляризации и фазового сдвига ортогональных компонент линейно поляризованного излучения с учетом параметров матрицы рассеяния подстилающей поверхности цели и параметров фильтрации.
Целесообразно получать сигнал максимальной контрастности цели последовательным перебором членов ряда значений угла поворота плоскости поляризации и фазового сдвига ортогональных компонент линейно поляризованного излучения с учетом параметров матрицы рассеяния цели и параметров фильтрации.
Предпочтительно принимать поляризованное излучение, отраженное от цели, и фоновый сигнал, получать выходные сигналы, пропорциональные параметрам векторов Стокса, производить их фильтрацию для исключения фонового сигнала, получать сигнал максимальной контрастности и с учетом параметров фильтрации, при которых достигается сигнал максимальной контрастности, величины сигнала максимальной контрастности и параметров матрицы рассеяния подстилающей поверхности цели формировать признаковое пространство цели.
Поставленная задача решается также тем, что в известное устройство, содержащее каналы оптического и радиодиапазонов, в которых установлены источники излучения оптического и радиодиапазонов, приемопередающие антенны и поляриметры, основание, выполненное с возможностью поворота вокруг двух взаимно ортогональных осей, на котором закреплены приемопередающие антенны, и вычислительное устройство, соединенное с поляриметрами, введены установленные в каналах оптического и радиодиапазонов индикаторы контраста, поляризационные фильтры и измерители контраста, соединенные с поляризационными фильтрами, вычислительным устройством, поляриметрами и индикаторами контраста, при этом выходы поляриметров соединены со входами поляризационных фильтров.
Оптимально выполнить приемопередающую антенну в канале радиодиапазона в виде круглой рупорной антенны.
Целесообразно выполнить приемопередающую антенну в канале оптического диапазона в виде параболического зеркала с отверстием для выхода излучения.
Предпочтительно выполнить источник излучения в виде генератора линейно поляризованного излучения, вращателя плоскости поляризации, линейного фазосдвигающего устройства и контроллера, при этом выход генератора линейно поляризованного излучения снабжен высокочастотной связью с входом вращателя плоскости поляризации, имеющим высокочастотную связь с входом линейного фазосдвигающего устройства, выход которого соединен высокочастотной связью с приемопередающей антенной, вход генератора линейно поляризованного излучения электрически связан с вычислительным устройством, порт вращателя плоскости поляризации соединен с портом контроллера, другой порт которого соединен с портом вычислительного устройства, а его третий порт соединен с портом линейного фазосдвигающего устройства.
Оптимально выполнить поляриметр в виде вращающегося фазового элемента, поляризатора, чувствительного элемента, процессора, контроллера, электрического привода, при этом вход вращающегося фазового элемента соединен высокочастотной связью с приемопередающей антенной, а его выход объединен высокочастотной связью с входом поляризатора, выход которого снабжен высокочастотной связью с входом чувствительного элемента, выход которого электрически связан с входом процессора, выход электрического привода механически связан с вращающимся фазовым элементом, один порт контроллера связан с портом электрического привода, а другой порт контроллера соединен с портом процессора, третий порт контроллера объединен с вычислительным устройством, при этом другой порт процессора соединен с портами вычислительного устройства и поляризационного фильтра, а вход процессора соединен с выходом вычислительного устройства.
В заявляемом способе в отличие от известного решения после поляризационной обработки принимаемых сигналов в радио- и оптическом диапазонах длин волн выделяют параметры вектора Стокса этих сигналов, а электрические сигналы, пропорциональные параметрам векторов Стокса, подают на два однотипных поляризационных фильтра: поляризационный фильтр оптического диапазона, который преобразует по заданному алгоритму электрические сигналы, пропорциональные параметрам вектора Стокса принимаемого сигнала оптического диапазона, и поляризационный фильтр радиодиапазона, который преобразует по заданному алгоритму электрические сигналы, пропорциональные параметрам вектора Стокса принимаемого сигнала радиодиапазона.
Указанный способ позволяет добиться поставленной задачи и достижения указанного технического результата за счет того, что в отличие от известного в заявляемом устройстве дополнительно установлены: поляриметр, поляризационный фильтр, измеритель контраста, индикатор контраста и компьютер. Заявляемые способ и устройство направлены на решение одной и той же технической задачи, служат достижению одного и того же технического результата и объединены общим изобретательским замыслом.
На фиг.1 представлена блок-схема устройства для осуществления способа.
На фиг.2 схематически изображены положения диаграмм направленности приемопередающих антенн.
На фиг.3 изображена блок-схема источника излучения.
На фиг.4 изображена блок-схема поляриметра.
На фиг.5 представлена структурная схема программы измерителя контраста.
Устройство для осуществления способа (фиг.1) содержит каналы оптического и радиодиапазонов, в которых установлены источники излучения 1 оптического и радиодиапазонов, приемопередающие антенны 4 и поляриметры 5, основание 6, выполненное с возможностью поворота вокруг двух взаимно ортогональных осей, на котором закреплены приемопередающие антенны 4, и вычислительное устройство 3, соединенное с поляриметрами 5. Устройство снабжено установленными в каналах оптического и радиодиапазонов индикаторами контраста 7, поляризационными фильтрами 8 и измерителями контраста 2, соединенными с поляризационными фильтрами 8, вычислительным устройством 3, поляриметрами 5 и индикаторами контраста 7, при этом выходы поляриметров 5 соединены со входами поляризационных фильтров 8.
В канале радиодиапазона в предпочтительном варианте исполнения установлена круглая рупорная антенна.
Приемопередающая антенна в канале оптического диапазона выполнена в виде параболического зеркала с отверстием для выхода излучения.
Источники излучения 1 в обоих каналах локации выполнены в виде генератора 10 линейно поляризованного излучения, вращателя плоскости поляризации 11, линейного фазосдвигающего устройства 12 и контроллера 13, при этом выход генератора 10 линейно поляризованного излучения снабжен высокочастотной связью с входом вращателя плоскости поляризации 11, имеющим высокочастотную связь с входом линейного фазосдвигающего устройства 12, выход которого соединен высокочастотной связью с приемопередающей антенной 4, вход генератора 10 линейно поляризованного излучения электрически связан с вычислительным устройством 3, порт вращателя плоскости поляризации 11 соединен с портом контроллера 13, другой порт которого соединен с портом вычислительного устройства 3, а его третий порт соединен с линейным фазосдвигающим устройством 12.
Поляриметр 5 выполнен в виде вращающегося фазового элемента 14, поляризатора 15, чувствительного элемента 16, процессора 17, контроллера 18, электрического привода 19, при этом вход вращающегося фазового элемента 14 имеет высокочастотную связь с приемопередающей антенной 4, а его выход соединен высокочастотной связью с входом поляризатора 15, выход которого объединен высокочастотной связью с входом чувствительного элемента 16, выход которого электрически связан с входом процессора 17, при этом выход электрического привода 19 механически связан с вращающимся фазовым элементом 14, один порт контроллера 18 связан с портом электрического привода 19, другой порт соединен с портом процессора 17, а третий порт объединен с вычислительным устройством 3, при этом другой порт процессора 17 соединен с портами вычислительного устройства и поляризационного фильтра 8, а вход процессора соединен с выходом вычислительного устройства.
В качестве поляризационных фильтров 8, установленных в обоих каналах локации, можно использовать компьютер ТИОН-ПРО.
В качестве измерителей контраста 2 в обоих каналах локации можно использовать также компьютер ТИОН-ПРО.
В качестве индикаторов контраста 7 в обоих каналах локации можно использовать дисплей.
Основание 6, выполненное с возможностью поворота вокруг двух взаимно ортогональных осей, может быть реализовано с помощью стандартных управляемых электроприводов [12].
В качестве чувствительного элемента 16 в канале оптического диапазона можно использовать фотоэлектронный умножитель, а в канале радиодиапазона - высокочастотный диод с усилителем.
В качестве процессора 17 и контроллера можно использовать микропроцессор «Atmega 16».
В качестве электрического привода 19 можно использовать стандартный управляемый электропривод [12].
В качестве генератора 10 линейно поляризованного излучения в канале оптического диапазона можно использовать лазер с линейной поляризацией излучения, а в канале радиодиапазона - магнетрон с линейной поляризацией излучения.
В качестве вращателя плоскости поляризации 11 в канале оптического диапазона используется прозрачный диэлектрик, а в канале радиодиапазона можно использовать ферритовый стержень (в принципе работы вращателя плоскости поляризации может быть заложен эффект Фарадея: угол поворота плоскости поляризации θ излучения при распространении в веществе зависит от величины магнитного поля, направленного вдоль распространения излучения) [10].
Линейное фазосдвигающее устройство 12 в канале оптического диапазона можно выполнить в виде компенсатора Солейля. Движение элементов компенсатора Солейля осуществляется с помощью стандартного управляемого электропривода [12]. В канале радиодиапазона можно использовать дифференциальную фазовую секцию, представляющую собой два металлических стержня, расположенных в плоскости YOZ в секции круглого волновода. Величина фазового сдвига ортогональных компонент δ зависит от расстояния между стержнями [10]. Изменение расстояния между стержнями осуществляется с помощью стандартного управляемого электропривода [12].
В качестве контроллера 13 можно использовать микропроцессор «Atmega 16» с двумя драйверами типа ТА7291Р.
Принцип работы заявляемого способа и устройства можно объяснить на основании следующего.
Каждый поляризационный фильтр, преобразующий параметры вектора Стокса, можно рассматривать как устройство, выполняющее функцию, аналогичную последовательно установленным виртуальному фазовому элементу и виртуальному поляризатору.
Виртуальный фазовый элемент реализует функцию фазового элемента, быстрая ось которого повернута на угол α относительно оси X, а фазовый сдвиг ортогональных компонент τ, электрические сигналы с выхода этого виртуального фазового элемента, пропорциональные параметрам вектора Стокса, подаются на вход виртуального поляризатора, который реализует функцию поляризатора, плоскость пропускания которого совпадает с осью X, электрический сигнал с выхода виртуального поляризатора, пропорциональный интенсивности излучения, подается на вход измерителя контраста.
Если известна только матрица рассеяния цели, то перебором параметров τ и α с одновременной установкой поляризации зондирующего сигнала из ряда, соответствующего этим параметрам и матрице рассеяния цели А, подбираются оптимальные параметры τ и α, при которых сигнал, отраженный от цели, является сигналом максимальной контрастности цели.
Если известна только матрица рассеяния подстилающей поверхности цели, то перебором параметров τ и α с одновременной установкой поляризации зондирующего сигнала из ряда, соответствующего этим параметрам и этой матрице рассеяния подстилающей поверхности цели М, подбираются оптимальные параметры τ и α, при которых сигнал, отраженный от цели, является сигналом максимальной контрастности цели, при этом параметры τ и α, значение контрастности и матрица рассеяния подстилающей поверхности цели М образуют признаковое пространство цели.
Рассмотрим множество упорядоченных векторов из n чисел в вещественном арифметическом пространстве с базисом
где Т - знак транспонирования, а е - векторы базиса.
Векторы Стокса S, которыми описывается поляризация зондирующих сигналов, отраженных сигналов, фоновых сигналов, принадлежат к этому множеству, т.е. любой вектор Стокса S можно представить в виде
.
Будем определять параметры I, Q, U, V так, как это сделано в [6, 7]. Параметр I пропорционален интенсивности сигнала. Параметры I, Q, U, V вектора Стокса S являются действительными числами, удовлетворяющими неравенствам:
Если излучение полностью поляризовано, то
При условии нормализации и полной поляризации излучения уравнение (2) запишется в виде:
4
Множество векторов Стокса является конусом (Конус Стокса) 4-мерного действительного арифметического евклидова пространства R.
Выделим в этом пространстве скалярное произведение векторов  и  в виде:
x
y
Источник излучения генерирует электромагнитную волну, вектор напряженности электрического поля Е которой представим ортогональными компонентами, направленными вдоль осей Х и У соответственно E и E в виде:
,
,
x
у
x
y
x
у
где i, j - орты, совпадающие соответственно с осью Х и Y; E, Е - амплитуды компонент соответственно E и E; ω - круговая частота генерируемой электромагнитной волны; t - время; δ - фазовый сдвиг компонент E и Е.
Излучение источника полностью поляризовано. Поляризация этого излучения описывается вектором , где
Представим отношение  функцией от параметра θ:
Тогда (5) можно записать в виде:
,
откуда получим
0
0
0
Остальные параметры Q, U, V, используя (6), запишем в виде:
0
Если излучение нормировано, то I=1.
Параметры векторов Стокса излучения оптического и радиолокационного диапазонов, попадающего на приемники оптического и радиолокационного диапазонов, измеряются в системе координат XYZ, связанной с ними.
Если цель обладает матрицей рассеяния
0
0
0
0
0
c
T
то при облучении зондирующим сигналом с вектором Стокса S=(IQUV) на приемник попадает отраженный сигнал с вектором Стокса S, который можно определить в виде
где , , , , , , , .
c
Электрические сигналы, пропорциональные параметрам вектора Стокса S, проходят последовательно виртуальный фазовый элемент и виртуальный поляризатор, которые выполняют функции реального фазового элемента и поляризатора.
Быстрая ось этого фазового элемента повернута на угол α относительно оси X, а фазовая задержка ортогональных компонент τ, плоскость пропускания поляризатора совпадает с осью X, поэтому параметр  вектора Стокса
c
на выходе виртуального поляризатора после преобразования вектора Стокса S виртуальным фазовым элементом и виртуальным поляризатором запишется в виде [8]:
где с - коэффициент пропорциональности.
При данной установке плоскости пропускания поляризатора вектор Стокса  имеет вид:
, причем
Если ввести приборный вектор
то (10) можно записать в виде [9]:
Используя (9), запишем (11) в виде
где
ф
ф
ф
ф
ф
ф
T
Соответственно, если вектор Стокса фонового излучения S=(IQUV), то на выходе виртуального поляризатора параметр  вектора Стокса  после преобразования вектора Стокса S виртуальным фазовым элементом и виртуальным поляризатором имеет вид:
При данной установке плоскости пропускания поляризатора вектор Стокса  имеет вид:
, причем
Отношение  характеризует контраст цели на фоне помех.
0
Оптимальные S и р обеспечивают максимум
Рассмотрим случай, когда фон создается внешним источником.
0
0
Операцию нахождения оптимальных S и р при условии полной поляризации и нормировки зондирующего сигнала, т.е. когда модуль S равен 1, запишем в виде
0
0
0
Т
Т
Максимизация по S требует максимума скалярного произведения (Aр, S), который достигается при S, параллельном Ар, учитывая, что  можем записать, что оптимальные
Тогда имеем:
0
0
0
ф
ф
ф
ф
ф
0
T
Из (15) можно сделать вывод, что параметры вектора Стокса Q, U, V, обеспечивающие максимум отношения  при условии нормировки  определяются параметрами τ и α виртуального фазового элемента и матрицей рассеяния цели А и не зависят от S=(IQUV). Следовательно, при любых τ, α и А может быть только один оптимальный вектор Стокса S:
где
0
Т
Если вектор Стокса S имеет направление, противоположное Aр, то получим наименьшее значение N при данных τ и α, которое определится в виде:
0
В этом случае вектор Стокса источника излучения S определится в виде
Если подстилающая поверхность, на фоне которой находится цель, имеет матрицу рассеяния:
ф
то при активной локации вектор Стокса фона S определится аналогично (9) в виде
,
где
ф
c
Электрические сигналы, пропорциональные S, преобразуются в виртуальном фазовом элементе и в виртуальном поляризаторе так же, как и электрические сигналы, пропорциональные вектору Стокса S.
ф
Поэтому параметр  вектора Стокса  на выходе виртуального поляризатора после преобразования S виртуальным фазовым элементом и виртуальным поляризатором запишется в виде:
Используя (21), запишем (20) в виде:
где
В случае активной локации, когда фон создается подстилающей поверхностью, то с учетом полной поляризации и нормировки излучения источника излучения контраст N цели определяется в виде:
ф
ф
ф
ф
ф
ф
0
T
Допустим, что установлены оптимальные вектор Стокса  излучения источника излучения, оптимальные параметры ,  виртуального фазового элемента. Если фон создается только подстилающей поверхностью, то вектор Стокса фона S=(IQUV) определяется (21). Фон с таким же S может быть создан внешним источником излучения, для которого оптимальный вектор Стокса источника излучения оптического диапазона  определяется согласно (17). Следовательно, операция нахождения максимума максиморума в (24) может быть выполнена путем перебора с наперед заданным шагом 0≤τ≤2π рад, 0≤α≤π рад при одновременном изменении вектора Стокса Sизлучения источника излучения согласно выражению (17).
Таким образом, если известна только матрица рассеяния цели А, то максимум N получить можно практически путем перебора с наперед заданным шагом параметров 0≤τ≤2π рад и 0≤α≤π рад виртуального фазового элемента с одновременным изменением поляризации источника излучения согласно выражений, полученных из (7), (17):
0
Т
Если вектор S имеет направление, противоположное Mp, то величина  достигает минимума для данного вектора р и, соответственно, контрастность N - максимума.
0
0
Т
В соответствии с (19), если вектор S имеет направление, противоположное Mp, то вектор S имеет вид:
где
и в соответствии с (25) поляризация характеризуется параметрами
Следовательно, если известна матрица рассеяния подстилающей поверхности цели М, но неизвестна матрица рассеяния цели А, то операция нахождения максимума максиморума величины контраста N может быть выполнена практически путем перебора с наперед заданным шагом параметров 0≤τ≤2π рад, 0≤α≤π рад виртуального фазового элемента оптического диапазона с одновременным изменением поляризации излучения источника излучения, при которой
макс
макс
макс.
Отсюда следует, что параметры τ и α, при которых достигается максимальная величина контраста цели N, определяются матрицей рассеяния подстилающей поверхности цели М и матрицей рассеяния цели А, которая является признаковой характеристикой цели. Поэтому признаковое пространство цели образуют параметры τ и α, при которых достигается максимальное значение контраста цели N, матрица рассеяния подстилающей поверхности цели М и максимальное значений контраста цели N
Заявляемый способ и устройство реализуются следующим образом.
На Фиг.1 схематически показана система координат XYZ, в которой заданы матрицы рассеяния цели в оптическом и радиодиапазоне соответственно А и , матрицы рассеяния подстилающей поверхности цели в оптическом и радиодиапазоне соответственно М и ,
0
c
ф
а также вектор Стокса S источника излучения 1 в канале оптического диапазона, вектор Стокса  источника излучения 1 в канале радиодиапазона, вектор Стокса излучения, отраженного от цели, оптического диапазона S, вектор Стокса излучения, отраженного от цели, радиодиапазона , вектор Стокса фона S и  в оптическом и радиодиапазоне соответственно.
i
i
Приемопередающие антенны 4 каналов оптического и радиодиапазонов жестко закреплены на основании 6. При этом диаграммы направленности (ДН) (фиг.2) приемопередающих антенн 4 каналов оптического и радиодиапазонов совмещены в пространстве. Вычислительное устройство 3 подает команды на изменение положения основания 6 таким образом, что приемопередающие антенны 4 каналов оптического и радиодиапазонов, совмещенные в пространстве, сканируют его в некотором телесном угле Ω с наперед заданным шагом изменения углов β и γ, соответственно по азимуту и углу места, в диапазоне Δβ и Δγ (Фиг.2). Шаг изменения углов β и γ выбирается меньше ширины ДН по уровню 0,7 приемопередающих антенн 4 каналов оптического и радиодиапазонов в плоскостях этих углов. Сканируемое пространство Ω разбивается на Z точек, дискретное перемещение ДН приемопередающих антенн 4 может производиться произвольно, например построчно слева направо. Если положение ДН приемопередающих антенн 4 соответствует точке с номером i, азимут и угол места которой соответствует β и γ, то будем обозначать это положение в виде ДН {β, γ}.
В процессе работы будет рассматриваться работа источника излучения 1 канала оптического диапазона, так как источник излучения канала радиодиапазона работает аналогично.
0
Источник излучения 1 функционирует таким образом, что плоскость поляризации генератора 10 линейно поляризованного излучения интенсивности I совпадает с осью Х. На выходе вращателя плоскости поляризации 11 составляющие напряженности электрического поля излучения , , совпадающие соответственно с осями Х и Y, имеют вид:
где ω - частота излучения генератора 10 линейно поляризованного излучения; t - время; θ - угол поворота плоскости поляризации вращателем плоскости поляризации 11.
X
Y
Излучение после вращателя плоскости поляризации 11 поступает на линейное фазосдвигающее устройство 12, быстрая ось которого совпадает с осью Х. На выходе линейного фазосдвигающего устройства 12 составляющие напряженности электрического поля E, E излучения, совпадающие соответственно с осями Х и Y, имеют вид:
X
Y
где δ - фазовый сдвиг ортогональных компонент E и E, осуществляемый линейным фазосдвигающим устройством 12.
Параметры θ и δ задаются для исполнения вычислительным устройством 3 в контроллер 13, который устанавливает параметр θ во вращателе плоскости поляризации 11, а параметр δ - в линейном фазосдвигающем устройстве 12.
Излучение с выхода линейного фазосдвигающего устройства 12 поступает на приемопередающую антенну 4, через которую излучается в пространство.
изл
При поступлении с вычислительного устройства 3 импульса t на вход генератора 10 линейно поляризованного излучения источник излучения 1 канала оптического диапазона создает импульс излучения на частоте ω, а источник излучения 1 канала радиолокационного диапазона - на частоте .
Обозначим другие параметры в канале радиолокационного диапазона следующим образом:  - интенсивность генератора 10 линейно поляризованного излучения;  - угол поворота плоскости поляризации вращателем плоскости поляризации 11; ,  - составляющие напряженности электрического поля на выходе вращателя плоскости поляризации 11, совпадающие соответственно с осями X и Y; ,  - составляющие напряженности электрического поля на выходе линейного фазосдвигающего устройства 12, совпадающие соответственно с осями Х и Y;  - фазовый сдвиг ортогональных компонент  и , осуществляемый линейным фазосдвигающим устройством 12.
0
Излучение на выходе линейного фазосдвигающего устройства 12 канала оптического диапазона характеризуется согласно (11) вектором Стокса S:
а в канале радиодиапазона характеризуется вектором Стокса :
c
c
c
c
c
ф
ф
ф
ф
ф
T
T
Отраженный от цели, а также фоновый сигналы, которые описываются в оптическом диапазоне соответственно векторами Стокса S=(IQUV) и S=(IQUV), в канале оптического диапазона через приемопередающую антенну 4 поступают на поляриметр 5. В радиодиапазоне эти сигналы описываются соответственно векторами Стокса  и , и они также через приемопередающую антенну 4 канала радиодиапазона поступают на поляриметр 5.
T
T
T
c
c
c
c
c
ф
ф
ф
ф
ф
В канале оптического диапазона поляриметр 5 измеряет параметры вектора Стокса S=(IQUV) излучения, поступившего с приемопередающей антенны 4. При наличии одновременно излучения, отраженного от цели, которое описывается вектором Стокса S=(IQUV), и излучения фона, которое описывается вектором Стокса S=(IQUV), вектор Стокса S определяется в виде
,
ф
c
а при отсутствии излучения, отраженного от цели, в виде S=S, и наоборот S=S при отсутствии излучения фона.
Аналогично, в канале радиодиапазона в поляриметре 5 измеряются параметры вектора Стокса  излучения с приемопередающей антенны 4.
При наличии одновременно излучения, отраженного от цели, которое описывается вектором Стокса , и излучения фона, которое описывается вектором Стокса , вектор Стокса S определяется в виде:
,
а при отсутствии излучения, отраженного от цели, в виде , и наоборот  при отсутствии излучения фона.
Поляриметр 5 (Фиг.4) содержит вращающийся фазовый элемент 14, в качестве которого в канале оптического диапазона можно использовать плоскую фазовую пластину, вращающуюся вокруг оси, а в канале радиодиапазона можно использовать дифференциальную фазовую секцию, представляющую собой два металлических стержня в секции круглого волновода, которая может вращаться вокруг ее оси [10]. Оптимальный фазовый сдвиг, который должен создавать вращающийся фазовый элемент 14, составляет 131,795° [13, 14]. В качестве поляризатора 15 в канале оптического диапазона можно использовать плоский поляризатор, а в канале радиодиапазона - круглый волновод с отводом прямоугольного волновода.
Сигналы с четырех выходов процессора 17 поступают на компьютер 3 и поляризационный фильтр 8 и несут информацию о параметрах I, Q, U, V вектора Стокса S.
1
2
3
4
Измерение параметров вектора Стокса S сигнала, поступившего с приемопередающей антенны 4, производится следующим образом: при поступлении нового числа Z контроллер 18 с помощью электрического привода 19 устанавливает быструю ось вращающегося фазового элемента 14 относительно Х под следующими углами: ξ=38,54°; ξ=75,14°; ξ=105,38°; ξ=141,857° [9, 10].
Чувствительный элемент 16 измеряет интенсивности излучения на выходе поляризатора, при этом в канале оптического диапазона используется фотоэлектронный умножитель, а в канале радиодиапазона - высокочастотный диод с усилителем, которые имеют в совокупности квадратичную амплитудную характеристику.
зад
T
При указанных четырех положениях вращающегося фазового элемента 14 и при каждом положении вращающегося фазового элемента 14 процессор 17 запоминает значения интенсивности в момент поступления импульса t. Далее процессор 17 по этим четырем измеренным величинам интенсивности путем решения системы четырех линейных уравнений определяет параметры вектора Стокса S=(IQUV) [13, 14].
Поляризационный фильтр 8 преобразует параметры I, Q, U, V вектора Стокса S, поступающего с поляриметра 5, так как это выполняют последовательно виртуальный фазовый элемент с матрицей Мюллера :
2
2
r
где С=cos2α, S=sin2α, ξ=cosτ, µ=sinτ; α - угол между направлением быстрой оси виртуального фазового элемента и осью X; τ - сдвиг фаз ортогональных компонент, и виртуальный поляризатор, плоскость пропускания которого совпадает с осью X. Виртуальный поляризатор имеет матрицу Мюллера P:
Параметры τ и α устанавливаются в поляризационном фильтре 8 с помощью вычислительного устройства 3.
Электрические сигналы на выходе виртуального поляризатора поляризационного фильтра 8, пропорциональные параметрам вектора Стокса S' на его выходе, определяются в канале оптического диапазона в виде:
Аналогично, в канале радиодиапазона электрические сигналы на выходе виртуального поляризатора поляризационного фильтра 8, пропорциональные параметрам вектора Стокса  на его выходе, определяются в виде:
Причем согласно (10а) и (13а) .
Электрический сигнал, пропорциональный параметру I', в канале оптического диапазона подается на порт измерителя контраста 2.
Аналогично, электрический сигнал, пропорциональный параметру , в канале радиодиапазона подается на порт измерителя контраста 2.
i
i
j
j
j
j
Рассмотрим работу измерителя контраста 2 канала оптического диапазона, так как измеритель контраста 2 канала радиодиапазона работает аналогично. ДН приемопередающей антенны 4 с помощью основания 6 поточечно сканирует пространство в некотором телесном угле Ω в диапазоне углов Δβ и Δγ при некоторых постоянных значениях параметров θ и δ в источнике излучения 1, а также параметров τ и α в поляризационном фильтре 8. Информационное поле каждой точки i сканируемого пространства Ω содержит данные о параметрах этой точки: i - номер точки, азимут этой точки β и ее угол места γ, которые поступают с вычислительного устройства 3, а также значение параметра I', поступившее с поляризационного фильтра 8, при положении ДН приемопередающей антенны в этой точке. Алгоритм работы измерителя контраста 2 показан на Фиг.5. На 1-, 2-, 3-, 4-м шагах формируется массив данных о Z точках сканируемого пространства Ω, который содержит Z информационных полей. После того как сформирован этот массив данных, выполняется 6-й шаг, на котором вычисляется контраст N каждой точки, начиная с 1-й. Например, для j-й точки с координатами {β,γ} вычисляется значение параметра <I'{β,γ}>, соответствующее фону в этой точке, по формуле:
mj
mj
mj
mj
j
j
mj
mj
j
j
где I'{β,γ} - значение параметра I' при m-м соседнем положении ДН {β,γ} относительно положения ДН {β,γ}. Положение ДН {β,γ} является соседним относительно ее положения {β,γ}, если оно находится в некоторой его окрестности; М - число соседних положений ДН (для хорошего усреднения необходимо брать М>>1).
j
j
j
j
Далее вычисляется значение контраста N{β,γ} точки с координатами {β,γ} по формуле:
j
j
j
j
где I'{β,γ} - значение параметра I' вектора Стокса S' при положении ДН {β,γ}.
j
j
Если исследуемый объект дисперсно распределен в среде, которая является подстилающей поверхностью, с известной матрицей рассеяния М, то N{β,γ} определяется по формуле:
где  определяется по формуле (23).
Формулу (38а) можно использовать и в случае, когда исследуемый объект не дисперсный и известна матрица рассеяния его подстилающей поверхности.
7-й шаг
. Если при некоторых значениях параметров  и  удовлетворяется неравенство
пор
л.тр
пр
где N - пороговое значение отношения сигнал/фон, которое определяется параметрами Р - вероятность ложной тревоги и P - вероятность пропуска цели, то осуществляется 8-й шаг - на индикатор контраста 7 и компьютер 3 выдается электрический сигнал, пропорциональный  и электрические сигналы, пропорциональные  и  На экране индикатора контраста 7 в точке, соответствующей положению ДН  высвечивается точка с яркостью, пропорциональной  Чем выше яркость точки на экране, тем больше вероятность наличия цели в направлении ДН . Значение контраста вычисляется для каждой точки сканируемого пространства.
Параметры τ и α в поляризационном фильтре 8 канала оптического диапазона и в поляризационном фильтре 8 канала радиодиапазона устанавливаются одинаковыми, они принимают дискретные значения в диапазоне 0≤τ≤2π рад и 0≤α≤π рад.
Излучение источника излучения 1 канала оптического диапазона излучается в пространство в виде импульсов синхронно с импульсами источника излучения 1 канала радиодиапазона.
Установка параметров θ и δ канала оптического диапазона и параметров  и  канала радиодиапазона производится независимо. Поэтому достаточно рассмотреть работу канала оптического диапазона в двух случаях.
1. Известна матрица рассеяния А цели и неизвестна матрица рассеяния подстилающей поверхности.
2. Известна матрица рассеяния М подстилающей поверхности цели, но неизвестна матрица рассеяния цели.
Рассмотрим работу канала оптического диапазона чувствительного локатора в первом случае.
В этом случае заявляемое устройство решает задачу оптимальной селекции на фоне помех целей, обладающих матрицей рассеяния А.
мин
мин
Сначала устанавливаются минимальные значения параметров τ и α из указанного выше диапазона.
Если известна матрица рассеяния цели А, то согласно (25) в источнике излучения вращатель плоскости поляризации 11 поворачивает плоскость поляризации генератора линейно поляризованного излучения 10 на угол
,
а линейное фазосдвигающее устройство 3' осуществляет сдвиг фаз ортогональных компонент на угол
.
Поляризация импульсов источника излучения 1 канала оптического диапазона описывается вектором Стокса
.
мин
мин
мин
мин
мин
мин
Вычислительное устройство 3 изменяет положение основания 6 таким образом, что ДН приемопередающей антенны 4 канала оптического диапазона дискретно сканирует пространство в некотором телесном угле Ω при неизменных параметрах τ, α, θ(τ,α), δ(τ,α).
j
j
зад
мин
мин
T
В каждом j-м положении ДН {β,γ} приемопередающей антенны 4 излучение, отраженное от цели и фоновое или только фоновое, принимается антенной и направляется в поляриметр 5. При этом измеряется вектор Стокса S=(IQUV) этого излучения, соответствующее моменту поступления импульса t. Электрические сигналы, пропорциональные параметрам IQUV, подаются на вычислительное устройство 3 и поляризационный фильтр 8, где преобразуются виртуальным фазовым элементом и виртуальным поляризатором согласно (33) и (34) при установленных в них параметрах τ и α в вектор Стокса .
j
j
j
j
j
j
пор
Электрический сигнал, пропорциональный параметру I', поступает в измеритель контраста 2. После того как ДН приемопередающей антенны 4 в процессе сканирования пройдет все z точек сканируемого угла Ω, в измерителе контраста 2 будет определен контраст N{β,γ} каждой j-й точки положения ДН {β,γ} по формуле (38). Если в каждой j-й точке из z точек контраста N{β,γ}<N, то устанавливаются следующие значения параметров τ и α из диапазона 0≤τ≤2π рад и 0≤α≤π рад.
зад
пор
Если в некоторой точке  на расстоянии, соответствующем временной задержке импульса t относительно импульса t, находится цель с матрицей рассеяния А, то найдутся согласно (17), (18)  и  и соответствующие им согласно (25)  и  при которых контраст  цели с матрицей рассеяния А на данном фоне будет максимальный и больше N. В результате на индикаторе контраста 7 в точке, соответствующей положению ДН  будет яркая точка. Информация о яркой точке  и о величине контраста  подается в вычислительное устройство 3. Электрические сигналы, пропорциональные параметрам I, Q, U, V вектора Стокса S, образуют признаковое пространство цели. Вычислительное устройство 3 анализирует эти параметры и делает вывод о наличии или отсутствии цели А в этой точке.
Рассмотрим работу канала оптического диапазона заявляемого изобретения во втором случае.
При этом согласно изобретению решается задача идентификации объекта в точке, отличающейся от других точек сканируемого пространства характеристиками отражения электромагнитных волн.
мин
мин
Сначала устанавливаются минимальные значения параметров τ и α из указанного выше диапазона. Если известна матрица рассеяния М подстилающей поверхности цели, то согласно (27) в источнике излучения 1 вращатель плоскости поляризации 11 поворачивает плоскость поляризации генератора 10 линейно поляризованного излучения на угол  а линейное фазосдвигающее устройство 12 осуществляет сдвиг фаз ортогональных компонент на угол
Поляризация импульсов источника излучения 1 канала оптического диапазона описывается вектором Стокса
.
мин
мин
мин
мин
мин
мин
j
j
зад
мин
мин
T
T
Вычислительное устройство 3 изменяет положение основания 6 таким образом, что ДН приемопередающей антенны 4 канала оптического диапазона дискретно сканирует пространство в некотором телесном угле Ω при неизменных параметрах τ, α, θ(τ,α), δ(τ,α). В каждом j-м положении ДН {β,γ} приемопередающей антенны 4 излучение, отраженное от цели и фоновое или только фоновое, принимается антенной и направляется в поляриметр 5. Далее измеряется вектор Стокса S=(IQUV) этого излучения, соответствующее моменту поступления импульса t. Электрические сигналы, пропорциональные параметрам I Q U V, подаются на вычислительное устройство 3 и поляризационный фильтр 8, где преобразуются виртуальным фазовым элементом и виртуальным поляризатором согласно (33) и (34) при установленных в них параметрах τ и α в вектор Стокса S'=(I'Q'U'V').
j
j
j
j
j
j
пор
Электрический сигнал, пропорциональный параметру I', поступает в измеритель контраста 2. После того как ДН приемопередающей антенны 4 в процессе сканирования пройдет все z точек сканируемого угла Ω, в измерителе контраста 2 будет определен контраст N{β,γ} каждой j-й точки положения ДН {β,γ} по формуле (38) или формуле (38а). Если в каждой j-й точке из z точек контраста N{β,γ}<N, то устанавливаются следующие значения параметров τ и α из диапазона 0≤τ≤2π рад и 0≤α≤π рад.
зад
пор
j
j
Если в некоторой точке  на расстоянии, соответствующем временной задержке импульса t относительно импульса t, находится цель с характеристиками отражения, отличающимися от характеристик отражения подстилающей поверхности цели, то найдутся  и  согласно (17), (26) и соответствующие им согласно (27)  и  при которых контраст  цели на фоне подстилающей поверхности с матрицей рассеяния М будет максимальный и больше N. В результате на индикаторе контраста 7 в точке, соответствующей положению ДН  будет яркая точка. Информация о яркой точке  и о величине контраста  подается в вычислительное устройство 3. Данное устройство формирует признаковое пространство цели в точке  которое включает в себя: параметры  и  поляризационного фильтра 8, при которых контраст цели N{β,γ} достигает максимального значения на подстилающей поверхности с матрицей рассеяния М, величину контраста  и матрицу рассеяния подстилающей поверхности М. Поскольку матрица рассеяния цели А и матрица рассеяния подстилающей поверхности М определяют параметры  и , при которых контраст цели  максимальный, то по найденным ,  и  М можно согласно (24) проверить соответствие любой матрицы рассеяния цели А этим ,  и М и
Вычислительное устройство 3, анализируя эти данные в признаковом пространстве, определяет матрицу рассеяния объекта, находящегося в пространстве, соответствующем яркой точке . По найденной матрице рассеяния производится идентификация объекта.
Заявляемые способ и устройство позволяют добиться высокой точности обнаружения цели на фоне подстилающей поверхности и может найти широкое применение в области экологии, радиолокации, аэронавигации и других областях техники, в которых возникает необходимость выявления объектов с помощью радиолокационных и оптических методов.
Литература
1. Патент РФ №2297644 от 18.03.2005 г., опубл. 20.04.2007.
2. Заявка на изобретение РФ №99127146 от 20.12.1999 г., опубл. 27.10.2001 г.
3. Патент РФ №2222031 от 13.05.2002 г., опубл. 20.01.2004.
4. Справочник. Авиационная радиолокация. П.С.Давыдов, А.А.Сосновский, И.А.Хаймович. М.: Транспорт, 1984. 116 с.
5. Патент РФ №2161777 от 17.12.1999 г., опубл. 10.01.2001.
6. Борен К., Хаффман Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 680 с.
7. Джеррард А., Берч Дж.М. Введение в матричную оптику. М.: Мир, 1978. 348 с.
8. Горчаков Г.Г. Матрица рассеяния света приземным воздухом // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1966. №6. С.595-605.
9. О'Нейл. Введение в статистическую оптику. М.: Мир, 1970.
10. Канарейкин Д.В., Павлов Н.Ф., Потехин В.А. Поляризация радиолокационных сигналов. М.: Сов. радио, 1966.
11. Малашин М.С., Каминский Р.П., Борисов Ю.Б. Основы лазерных локационных систем. М.: Высш. школа, 1983.
12. Файнштейн В.Г., Файнштейн Э.Г. Микропроцессорные системы управления тиристорными электроприводами. М.: Энергоатомиздат, 1986. 240 с.
13. Ошлаков В.Г. Оптимальный измеритель матрицы рассеяния // Оптика атмосферы и океана. 1992. Т.5. №11.
14. Ошлаков В.Г., Барков Ю.Г. Численный анализ аппаратной матрицы поляризационного измерителя // Оптика атмосферы и океана. 2002. Т.15. №7. С.635-640.
15. Березин Л.В., Вейдель В.А. Теория и проектирование радиосистем. М.: Сов. радио, 1977. 448 с.