УСТРОЙСТВО РАСПОЗНАВАНИЯ ЦЕЛЕЙ

УСТРОЙСТВО РАСПОЗНАВАНИЯ
Полезная модель оптосится к радиолокационным устройствам и может быть использована для распознавания воздуошых целей с помощью радиолокатора, использующего двухчастотный узкополосный зондирующий сигнал.
Известно устройство распознавания целей 1, содержащее 1-й и 2-й передатчики, 1-ю и 2-ю передающие антенны, 1-й и 2-й логарифмические приемники, 1-ю и 2-ю приемные антенны, блок вычисления разности частот, пороговое устройство, блок схем совпадения, блок эталонов и индикатор. При этом выход 1-го передатчика соединен со входом 1-й передающей антенны, выход 2-го передатчика соединен со входом 2-й передающей антенны, выход 1-й приемной антенны подключен ко входу 1-го логарифмического приемника, выход 2-й приемной антенны подключен ко входу 2-го логарифмического приемника, выход которого соединен со 2-м входом блока вычисления разности частот, 1-й вход которого соединен с выходом 1-го логарифмического приемника, а выход - с 1-м входом блока схем совпадения, 2-й вход которого соединен с выходом блока эталонов, а N выходов подключены к соответствующим из N входов индикатора.
Данное устройство позволяет определять поперечные размеры целей и распознавать их по различию амплитуд двух сигналов, отраженных на разных частотах. Достоинством данного устройства является высокое быстродействие. Однако верюятность правильного распознавания целей данным устройством будет невелика, так как поперечные размеры целей зависят от ракурса локации, что не учитывается при ведении распознавания. Кроме того данное устройство требует наличия 4-х антенн, 2-х приемников и 2-х передатчиков, что повышает его дороговизну и громоздкость, а также ведет к затруднениям при технической реализации, так как возникает необходимость обеспечения абсолютной идентичности 2-х каналов.
Известно также устройство распознавания целей С2, состоящее
из импульсного модулятора (ИМ), 1-го умножителя,частоты, 2-го
усилителя мощности (УМ), приемника сигналов 4,s 1X5 iJC fy поедедовательно соединенных приемника сигналов частоты f, 2-го умножителя частоты, фазового детектора и индикатора, последовательно включенных задающего генератора (ЗГ), 1-го УМ, сумматора, антенного переключателя (АП) и антенны. При этом 1-й выход ИМ соединен
МПК G 01 S 13/02
ft
со 2-м входом 1-го УМ, а второй - со 2-м входом 2-го УМ, 1-й вход которого соединен с выходом 1-го умножителя частоты, вход которого подключен к выходу ЗГ. Выход 2-го УМ подключен ко 2-му входу сумматора, а выход АЛ соединен одновременно со входом приемника сигналов частоты f и входом приемника сигналов частоты nf, выход которого соединен со 2-м входом фазового детектора.
Данное устройство позволяет селектировать воздушные цели на фоне отражений от местных предметов и распознавать цели разных размеров между собой. Работа устройства основана на измерении фазовых сдвигов сигналов, отраженных воздушными целями на двух кратных частотах. За счет использования кратных частот информация о фазовых сдвигах сигналов, обусловленная отражениями от целей, отделяется от фазовых сдвигов, происходящих за счет изменения расстояния до цели или ракурса ее пеленга. Однако данное устройство не может распознавать цели с высокой вероятностью, так как величина фазового сдвига при отражении от цели определяется не только геометрическим размером цели, но и ее ракурсом, материалом изготовления, применением конкретного вида подвесного оборудования и т.д. К тому же данное устройство позволяет распознавать цели всего 2-х типоразмеров, к которым жестко привязываются длины волн сигналов 2-х зондируюпщх частот, так как устройство использует области резонансного и релеевского рассеяния.
Яелью полезной модели является повышение вероятности распознавания воздушных целей за счет повышения точности измерения радиального размера при использовании узкополосных сигналов на двух зондирующих частотах.
Для достижения указанной цели диапазон зондирования переводится в область квазиоптического рассеяния и в известное устройство распознавания 2 дополнительно вводят четыре смесителя, два гетеродина, два амплитудных детектора (АД), усилитель высокой частоты (УВЧ), суммирующее устройство, два усилителя промежуточной частоты (УПЧ), делитель частоты, блок деления, два интегратора, два блока измерения максимальной амплитуды (БИМА) и блок идентификации (БИ). При этом выход ЗГ соединяют с 1-м входом 1-го смесителя и 1-м входом 2-го смесителя, выход 1-го гетеродина подключают ко 2-му входу 4-го смесителя и 2-му входу 1-го смесителя, выход которого подключают к 1-му входу сумматора, 2-й вход
mf /
о
которого соединяют с выходом 2-го смесителя, 2-й вход которого соединяют с выходом 2-го гетеродина и 2-м входом 3-го смесителя, 1-й вход которого подключают к 1-му входу 4-го смесителя и выходу УВЧ, вход которого подключают к выходу АЛ, вход которого соединяют с выходом УМ, 1-й вход которого подключают к выходу сумматора. При этом 3-й смеситель, 1-й УГГч, суммирующее устройство, 1-й АД, 1-й БИМА и 1-й интегратор соединяют последовательно. Последовательно включают 4-й смеситель, 2-й УПЧ, 2-й АД, 2-й БИМА и 2-й интегратор, 2-й вход которого соединяют с выходом делителя частоты и 2-м входом 1-го интегратора, выход которого подключают к 1-му входу блока деления, 2-й вход которого соединяют с выходом 2-го интегратора, а выход - со входом БИ. Одновременно выход 2-го УПЧ соединяют со 2-м входом суммирующего устройства, а вход делителя частоты подключают к выходу ИМ.
Предложенное построение схемы устройства наделяет его новыми свойствами, позволяющими более точно определять протяженность радиолокационной цели вдоль линии визирования, то есть измерять радиальный размер цели. Повышение точности является следствием особенностей формирования отраженного сигнала в квазиоптической области рассеяния радиоволн. Для высокочастотной области рассеяния характерно, что величина элективной площади рассеяния (ЭПР) каждого элементарного отражателя (блестящей точки) не изменяется при перестройке несущей частоты, если выполняется следующее условие: Af « fо , где ДГ - ширина спектра зондирующего сигнала, fo - несущая частота. Под блестяш;ими точками (БТ) понимают локальные отражатели, обусловленные наличием областей зеркального отражения (первой зоны Френеля), а также отражатели, локализовашше на геометрических неоднородностях поверхности цели (краевой эффект).
Следует отметить, что глубина 1-й зоны енеля составляет четверть длины волны зондирующего сигнала 3, с.138, то есть чем меньше длина волны, тем меньше геометрический размер БТ, а значит расстояние между БТ можно измерять с большей точностью. Достоинства предложенного устройства наиболее ярко проявляются при распознавании малоразмерных целей, которые в метровом диапазоне представляют собой одну БТ с нулевым радиальным размером. В сантиметровом же диапазоне малоразмерные цели отличаются по своим радиальным размерам и их можно классифицировать по типам.
g
Данная модель демонстрирует возможности измерения радиального размера целей с точностью до единиц сантиметров, что недоступно в резонансной и релеевскюй областях рассеяния.
На чертеже представлена структурная схема устройства распознавания целей.
Устройство содержит ЗГ 1, 1-й смеситель 2, 1-й гетеродин 3, Ш 4, антенну 5, 2-й гетеродин 6, 2-й смеситель 7, сумматор 8, УМ 9, АЛ 10, 1-й АД 11, суммирующее устройство 12, 1-й УПЧ 13, 3-й смеситель 14, УВЧ 15, 1-й БР1МА 16, БИ 17, 2-й АД 18, 2-й УПЧ 19, 4-й смеситель 20, 1-й интегратор 21, блок деления 22, 2-й интегратор 28, 2-й БИМА 24 и делитель частоты 25. При этом ЗГ 1 соединен своим выходом с 1-м входом 1-го смесителя 2 и 1-м входом 2-го смесителя 7, 2-й вход которого подключен к выходу 2-го гетеродина б и 2-му входу 3-го смесителя 14. Выход 1-го гетеродина 3 соединен со 2-м входом 4-го смесителя 20 и со 2-м входом 1-го смесителя 2, выход которого подключен к 1-му входу сумматора 8, 2-й вход которого соединен с выходом 2-го смесителя 7, а выход - с 1-м входом УМ 9, 2-й вход которого соединен с выходом ИМ 4 и входом делителя частоты 25, а выход - со входом АП 10, вход-выход которого соединен со вход-выходом антенны 5, а выход - со входом УВЧ 15. Имеют последовательное включение УВЧ 15, 3-й смеситель 14, 1-й УПЧ 13, суммирующее устройство 12, 1-й АД 11, 1-й БИМА 16 и 1-й интегратор 21. Последовательно соединены в устройстве распознавания 4-й смеситель 20, 2-й УПЧ 19, 2-й АД 18, 2-й БИМА 24 и 2-й интегратор 23. Выход 2-го УПЧ 19 соединен также со 2-м входом суммирующего устройства 12. Выход УВЧ 15 соединен также с 1-м входом 4-го смесителя 20, а выход делителя частоты 25 соединен со 2-м входом 2-го интегратора 23 и 2-м входом 1-го интегратора 21, выход которого подключен к 1-му входу блока деления 22, 2-й вход которого соедршен с выходом 2-го интегратора 23, а выход - со входом БИ 17.
Устройство распознавания целей работает следующим образом.
- 4 ответственно сигналы на частоте fir с выхода 1-го гетеродина 3 и на частоте f2r с выхода 2-го гетеродина 6, отличающиеся по частоте на величину / f fir-f2r. Разнос частот М составляет величину порядка единиц МГц. Сигнал с выхода 1-го смесителя 2 поступает на 1-й вход сумматора 8, на 2-й вход которого поступает сигнал с выхода 2-го смесителя 7. Сумматор 8 смешивает два входных сигнала и подает результирующий сигнал (в котором присутствуют сигналы 2-х частот fn-bfir и fn+f2r fn -fir-uf) на вход УМ 9. Данный сигнал модулируется поступающими на 2-й УМ. 9 вход импульсами с выхода Ш 4, а также усиливается по мощности, после чего через АЛ 10 подается на антенну 5 и излучаются ею в направлении воздушной цели.
Отраженные целью сигналы принимаются антенной 5 и через АЛ 10 поступают на вход УВЧ 15, полоса пропускания которого позволяет проводить обработку сигналов 2-х частот зондирования. С выхода УВЧ 15 сигналы поступают на 1-е входы 3-го и 4-го смесителей 14 и 20. На 2-й вход 3-го смесителя 14 поступает сигнал с выхода 2-го гетеродина 6. На 2-й вход 4-го смесителя 20 поступает сигнал с выхода 1-го гетеродина 3.
На выходе 3-го смесителя 14 формируется сигнал на частоте, равной разности частот сигналов на его 1-м и 2-м входах. Значит, на выходе 3-го смесителя 14 будут образовываться биения на частотах fn+fir-f2r fn- - и fn--f2r-t2r fn, так как на его 1-м входе отраженные сигналы имеют в своем составе две частотные составляющие (fn+f1г и fn+f2г) Аналогично на выходе 4-го смесителя 20 будут образовываться биения на частотах fn+fir-fir fп и fn+f2r-flr fn- . С выхода 3-го и 4-го смесителей 14 и 20 сигналы поступают для усиления соответственно на входы 1-го и 2-го УПЧ 13 и 19, настроенных на частоту fn- Сигналы других частот, а именно частот fn+Af и fn-Af, через блоки 13 и 19 не проходят. Таким образом, на выходе 1-го УПЧ 13 будут присутствовать сигналы, отраженные целью на 2-й частоте зондирования  а на выходе 2-го УПЧ 19 - сигналы, отраженные целью на 1-й частоте зондирования fn+fir. хотя.на выходе 1-го и 2-го УПЧ сигналы будут иметь уже одинаковую промежуточную частоту fпУсиленный в 1-м УПЧ 13 сигнал поступает на 1-й вход суммирующего устройства 12, на 2-й вход которого поступает усиленный вторым УПЧ 19 сигнал, отраженный на 1-й зондирующей частоте. Кроме того, сигнал с выхода 2-го УПЧ 19 подается на вход 2-го АД 18, где выделяется его огибающая. С выхода 2-го АД 18 сигнал поступа- 5 ет на вход 2-го БИМА Е4, в котором производится анализ сигнала и измеряется его наибольшее значение. Сигнал, пропорциональный наибольшему значению огибающей, поступающей на вход блока 24, подается с его выхода на 1-й вход 2-го интегратора 23.
Аналогичные операции производятся с выходным сигналом суммирующего устройства 12, так как данный сигнал проходит с выхода блока 12 через идентичные блои:и, а именно - через 1-й АД 11, 1-й БИМА 16, поступая далее на 1-й вход 1-го интегратора 21. Само же суммирующее устройство 12 предназначено для смешивания на промежуточной частоте fn сигналов, отраженных целью на 2-х различных зондирующих частотах.
Первый и второй интеграторы 21 и 23 предназначены для интегрирования сигналов, поступающих на их первые входы в течении некоторого промежутка времени Ту усреднения. Иначе говоря, интеграторы усредняют информацию, поступающую на их первые входы за время Ту. Время Ту выбирается из условия обеспечения анализа информации, заключенной в полном лепестке диаграммы обратного рассеяния (ДОР) цели наименьших размеров, то есть обеспечения анализа наибольшего из возможньж по ширине лепестков ДОР. Как известно СЗ, с.20, ширина лепестка ДОР в градусах или радианах определяется линейными размерами цели. Для сантиметрового диапазона длин волн согласно С5 ширина лепестков ДОР реальных целей составляет величину 8 0,05-0,1°. Максимальная угловая скорость изменения ракурса Wp, связанная с наличием и уровнем траекторных нестабильностей полета целей, может достигать в турбулентных слоях атмосферы единиц градусов в секунду Со, 63. Таким образом, время Ту можно оценить по формуле
Ту  8макс/0)р мкн  0,1/0,5  0,2 С.
Исходя из значения продолжительности одного цикла распознавания, приблизительно равного Ту, следует выбирать коэффициент деления частоты для делителя частоты 25 в интересах правильного, формирования импульса сброса интеграторов 21 и 23. Данный коэффициент деления Кд может быть рассчитан по формуле Кд Ту/Ти, где Ти - период повторения импульсов в ИМ 4. При правильном выборе Кд импульсные сигналы с выхода ИМ 4, пройдя делитель Частоты 25, будут поступать с его выхода на вторые входы 1-го и 2-го интеграторов 21 и 23 через промежутки времени Ту, то есть будут обеспечивать усреднение сигналов, ооступаюшдх на интеграторы 21 и 23 за интервал Ту в пределах одного или более лепестков ДОР цели.
- б Наиболее полно сигнал на выходе 1-го интегратора может быть описан в форме параметра рассеяния и приема W(K) С43. Обобщенный параметр рассеяния и приема описывает отражающие свойства цели в Максимуме отклика фильтра, согласованного со спектром зондирующего сигнала, учитывая результат накопления рассеянного сигнала в приемнике. Воспользовавшись для анализа двухчастотного (с разносом частот Дй) узкополосного сигнала математическим аппаратом из 4, можно показать, что средняя амплитуда сигнала на выходе 1-го интегратора 21 будет пропорциональна величине
ЩкУ.1б1Соз( - fL(l+)-2uril).   V 20 I -1/
где А - количество ВТ на освещенной поверхности цели; 6i - ЭПР i-й ВТ; с - скорость света; L - радиальный размер цели, определяемый расстоянием меаду проекциями крайних по дальности ВТ на линию визирования цели; Art - радиальное расстояние мезвду 1-й по дальности и i-й ВТ; д - смещение кажущегося центра цели относительно ее истинного центра в радиальном направлении С4.
Из рассмотрения данного выражения следует, что если облучать цель двухчастотным сигналом с разносом частот Лш, а отраженный сигнал обрабатывать двухканальным приемным устройством, один из каналов которого принимгют обе спектральные составляющие отраженного сигнала, а второй - только одну, то проводя сравнение амплитуд рассеянных сигналов с выходов этих каналов, можно класскфицировать цели по их радиальной протяженности. Это следует из того, что средняя амплитуда сигнала на выходе одночастотного приемного канала будет пропорциональна ЭПР цели, а на выходе двухчастотного - параметру рассеяния и приема W(K), значение которого зависит от радиального размера цели L и соотнощения разноса частот Л двухчастотного зондирующего сигнала.
Из выщеуказанного следует, что в качестве признака распознавания в предложенном устройстве целесообразно использовать отношение средних значений отраженных сигналов, измеряемых на разных выходах двухканального приемного устройства.
С выхода 1-го интегратора 21 усредненный сигнал поступает на 1-й вход делителя 22, на 2-й вход которого подается усредненный сигнал с выхода 2-го интегратора 23. Делитель 22 формирует на своем выходе сигнал, равный частному от деления сигнала на 1-м
- 7 // входе на сигнал на 2-м входе, то есть пропорциональный отношению среднего значения параметра рассеяния к средней ЭПР цели. Данный сигнал поступает на вход БИ 21. Блок идентификации 21 представляет собой устройство, структурно состоящее из блока хранения порогов, запоминающего устройства, схеШ) сравнения и табло вывода результатов (на чертеже не показаны). Сигнал с выхода делителя 26 поступает на вход запоминающего устройства, которое подает входной сигнал на 1-й вход схемы сравнения в течение промежутка времени, необходимого для сравнения входного сигнала с набором пороговых сигналов, поотупающих 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 индикатор (светодиод, лампа) распознанного класса (типа) воздушной цели. Использование перепада средних амплитуд на выходе 1-го и 2-го интеграторов W(K)/6 в качестве признака классификации воздушных целей позволяет по результатам его анализа производить более точную чем в прототипе оценку их радиальной протяженности. Проверка работоспособности предлагаемого устройства и качества его работы проводилась методом математического моделирования. При этом отраженные сигналы целей различных классов (типов) представляли собой суперпозицию отражений от тел простой геометрической формы, которыми аппроксимировались сложные поверхности летательных аппаратов. Для расчета отражательных свойств тел простой формы использовались известные выражения из 73. Выли заданы 3 класса целей: крупноразмерные, среднераемерные и малоразмерные. Каждый из этих классов был представлен тремя типами целей. Статистические данные оценок измерения радиального размера целей по предложенному признаку распознавания набирались для целей, находящихся на дальностях от 15 до 60 км, на ракурсах локации по азимуту от О до 35, по углу места - от 10° до 40° при величинах траекторных нестабильностей полета целей, достигающих 2°/с. Длина волны зондирующих сигналов составляла 4 см, а разнос частот двухчастотного узкополосного зондирующего сигнала был выбран 2,5 МГц, Для каждого типа цели проделывалось не менее 1000 опытов. Результаты статистического усреднения измеренных предложенным устройством радиальных размеров 9 типов целей, представленные графически в виде гистограмм, показывают, что цели указанных типов можно распознавать с высокой вероятностью, определив уровни порогов между гистограммами оценок радиальных размеров целей по одному из известных критериев (например, Неймана-Пирсона). Число распознаваемых предложенным устройством классов целей может быть больше 2-х. За счет повышения точности измерения радиального размера среднеразмёрные и крупноразмерные и малоразмерные цели могут распознаваться до типов, а средняя вероятность распознавания целей у данного устройства выше, чем у прототипа. ника академии по y4e6Hj :ых наук, профессор
- 9 Автор:Митрофанов аучной работе .ПОЛУПАНОВ
1.Небабин В.Г., Сергеев В.В. Методы и техника радиолокационного распознавания.  М.:  Радио и связь, 1984, с. 102, фиг.3.35 (аналог) .
2.Небабин В.Г., Сергеев В.В. Методы и техника радиолокационного распознавания. М.: Радио и связь, 1984, с.75, фиг.3.19 (прототип).
3.Финкельштейн М. И, Основы радиолокации. Учебник для вузов. 2-е изд. .перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1983.-536 с.
4.Бондарев Л. А. Отра каюпще свойства моделей сложных радиолокационных целей // Радиотехника, 1990, N 7. с.8-13.
5.Вишин Г.М. Многочастотная радиолокация. М.: Воениздат. 1973, 92 с.
6.Справочник по радиолокащш / Под ред. М.Й.Сколника, М.: Сов. радио, 1976, Т.1. -455 с. 7.Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М.: Сов. радио. 1975. -248 с.
- 12 ЖТЕРАТУРА