Поляриметрические алгоритмы обнаружения радиолокационных объектов на фоне активных шумовых помех

УДК 621.396.96

ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКИЕ АЛГОРИТМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОБЪЕКТОВ НА ФОНЕ АКТИВНЫХ ШУМОВЫХ ПОМЕХ

А.И. Козлов, Э.В. Амнинов, Ю.И. Вареница, В. Л. Румянцев

Рассматривается комбинированный алгоритм обнаружения радиолокационных объектов на фоне активных шумовых помех, синтезированный на основе последовательного алгоритма Вальда и поляризационно-статистического алгоритма, для радиолокационных систем с поляризационным зондированием на двух частотах. Определены показатели качества алгоритма с использованием моделей радиолокационных объектов. Приведены результаты экспериментального исследования алгоритма обнаружения цели на фоне ответно-импульсной помехи, сопряженной со спектром зондирующего сигнала.

Ключевые слова: алгоритм, помеха, обнаружение, радиолокационный объект.

В сложной помеховой обстановке основной задачей РЛС является обеспечение требуемых показателей обнаружения. Задачу обеспечения требуемых показателей обнаружения можно решить не только с помощью аппаратных средств, но и алгоритмически. Поэтому представляет интерес вопрос о возможностях различных алгоритмов по обеспечению требуемых показателей обнаружения.

Одним из вариантов повышения помехозащищенности РЛС является применение метода полного поляризационного зондирования пространства (ППЗП) на двух частотах, предполагающего излучение двух сложных ортогональных по поляризационной и внутренней структуре сигналов на разных частотах и прием сигналов на ортогональных поляризациях [1 -

3].

Вопросам повышения помехозащищенности РЛС и возможностям ППЗП посвящено достаточно большое количество работ [1 - 9]. Использование ППЗП позволяет перейти от скалярной обработки принимаемого сигнала к векторной и учесть поляризационные различия сигналов и помех в интересах обнаружения целей в ситуации отсутствия пространственных, временных и частотных различий. Информация об отраженном сигнале (четыре амплитуды и четыре фазы) при ППЗП содержится в поляризационном векторе рассеяния (ПВР). Элементы ПВР можно измерить следующими способами: моноимпульсным, последовательным во времени, разно частотным, разночастотно-последовательным и др. [1 - 3]. Наилучшим из указанных способов является моноимпульсный, однако по критерию "стоимость-эффективность" предпочтительнее является разночастотный. Поэтому представляет интерес синтеза алгоритма обнаружения именно для разночастотного способа измерения элементов ПВР.

Рассмотрим последовательный алгоритм обнаружения Вальда [2, 6]. Задачу обнаружения сигнала сформулируем как задачу проверки двух гипотез. В качестве гипотезы Н будем полагать наличие в элементе разрешения независимых сигнала, помехи и шума. А для гипотезы Н0-наличие в элементе разрешения только помехи и шума. Будем считать, что зондирование пространства может осуществляться импульсной РЛС на разных частотах таким образом, что за время наблюдения производится N измерений элементов поляризационного вектора рассеяния (ПВР):

' Ш)л Уу ъ)

щ)=

и

У = (1, К);

Ъу (Ц) = Ус • ) + й&) + Ы), - = (1, N), где Уу (1-) - единичные отсчеты входного ПВР на у-й частоте; 18) - поляризационный вектор полезного сигнала на у-й частоте;

й(1-) - поляризационный вектор помехи на у-ой частоте; |^^) - вектор собственных шумов на у-й частоте; ус - признак наличия либо отсутствия сигнала в элементе разрешения, причем ус = 1 при условии наличия сигнала.

Полагаем, что частоты зондирования РЛС таковы, что соседние по времени отсчеты ПВР независимы. Закон распределения элементов ПВР будем считать многомерным нормальным. Ковариационно-поляризационные матрицы (КПМ) для гипотез Н1 и Н0 будут следующими

м

где Мп - КПМ помехи; Мс - КПМ сигнала; Мщ - КПМ внутренних шумов.

КПМ (1) считаем известными. В частности, КПМ цели можно получить расчетным или экспериментальным путем, а КПМ помехи можно получить по результатам адаптивного оценивания путем усреднения входного поляризационного вектора по пространству и времени.

Задача обнаружения цели на фоне помех может быть сведена к задаче селекции единственной цели. Выражения для плотностей вероятностей выборочных поляризационных векторов, соответствующих гипотезам Н (наличие во входной выборке сигнала цели) и Но (отсутствие во входной выборке сигнала цели) имеют вид

ехр - й о)*г м-1

Ро( Ъ) = ((2р)п о |)-1

((2я)й М1 Г1

ехр<- -й 1)*Т М- ^ - йЛ

При этом решающее правило состоит в вычислении отношения правдоподобия и сравнении его с порогами на каждом /-ом шаге (/ = 1, N).

Логарифм отношения правдоподобия при допущении равенства математических ожиданий определяется, исходя из (2) и (3), следующим образом:

1 N

п = 2 2 2/=1

М1

1п

М 0

+ ф - й 0)*Т

Из (4) находим логарифм отношения правдоподобия при нулевых математических ожиданиях:

1 N

2/=1

1П

М 0

М1

¥,Т * (ММ 1-1 - ММ о-1)У/

Процедура проверки гипотез предполагает сравнение логарифма отношения правдоподобия с порогами, например,

1 -е2

<

V

>

А1 = 1п-

Ад = 1П

81 8 2 1 -81

Величины порогов зависят от ошибок первого и второго рода, соответствующих задаваемым вероятностям ложной тревоги и пропуска цели (81 и 82).

При V/ > А1 принимается решение о наличии в данном канале дальности цели, при V/ £ Ад принимается решение об отсутствии цели, а при А1 >П/ > Ад накопление продолжается на следующий (/ + 1) такт. После принятия решения об отсутствии в разрешаемом объеме цели либо о наличии цели, процесс обнаружения прекращается.

Общая структура алгоритма поляризационно-статистической обработки [6] совпадает со структурой последовательного алгоритма обнаружения Вальда [2], однако входящие в них параметры, смысл переменных, а также физические результаты несколько иные. Исходные предпосылки остаются такими же, как и для последовательного алгоритма Вальда. Физическая сущность поляризационно-статистического алгоритма основывается на факте изменения области локализации (ОЛ) ПВР в некотором разрешаемом объеме по сравнению с ОЛ соответствующей наличию в объеме разрешения помехи (т.е. алгоритм настраивается на помеху). Решающее правило данного алгоритма имеет вид

• У )> 1п(С),

1п(У*Т • М-1

где У - входной ПВР; М- корреляционно-поляризационная матрица помехи; * Т - знак комплексного сопряжения и транспонирования; С = тп + - порог определяемый из значений характеристик распре-

деления достаточной статистики (тп , оп) и гипотезы нормального ее распределения а также коэффициента, зависящего от требуемой вероятности ложной тревоги и размерности входного ПВР.

Поляризационно-статистический алгоритм обнаружения при малых отношениях сигнал-помеха обеспечивает высокие показатели обнаружения и для принятия решения о наличии цели в разрешаемом объеме достаточно одного такта, однако этот алгоритм не обеспечивает такое постоянство вероятности ложной тревоги как последовательный алгоритм Вальда [2]. Поэтому, в сложной помеховой обстановке предлагается использовать комбинированный алгоритм обнаружения.

Блок-схема комбинированного алгоритма обнаружения целей на фоне активной шумовой помехи (АШП) представлена на рис. 1. Основными этапами этого алгоритма являются: выбор оптимального разноса несущих частот при использовании ППЗП на двух частотах согласно методики, описанной в [6]; обзор всех разрешаемых объемов пространства с использованием поляризационно-статистического алгоритма; определение разрешаемых объемов, в которых присутствуют неоднородности (цель). В выделенных направлениях используется последовательный алгоритм обнаружения Вальда, который обеспечит требуемые показатели обнаружения.

Экспериментальные исследования по обнаружению целей на фоне активных прицельных помех, сопряженных со спектром зондирующего сигнала, проводились с использованием макета РЛС с полным поляризационным зондированием, созданного на базе однопозиционного локатора [6]. В качестве источника активных прицельных ответных помех, сопряженных со спектром зондирующего сигнала и действующих по главному лепестку диаграммы направленности антенны РЛС, использовался переизлучающий рупор с регулируемым уровнем помехи. В качестве обнаруживаемых целей использовались уголковые отражатели и автомобили (1 -ЗИЛ 130, 2 - тягач МТЛБУ).

Алгоритм обнаружения цели на фоне ответной импульсной помехи

имеет ряд особенностей. Поскольку ранг матриц М (н0) и М (н1 ), в силу

однопозиционной локации не более 3, используем метод анализа главных компонент для преодоления плохой обусловленности КПМ [13]. Определив все собственные числа 1у и нормированные собственные векторы Ьг

матрицы М = М (н0) + М (н1), отбросив собственный вектор Ь 4, соответствующий наименьшему 14 составим матрицу пересчета В.

Рис. 1. Блок-схема комбинированного алгоритма обнаружения целей

в условиях воздействия АШП

Применяя преобразование у = В У, получим ПВР у , КПМ которого будет не вырожденной. Выражения для плотностей вероятностей выборочных значений ПВР соответствующих гипотезам Нд и Н, можно записать в следующем виде:

У) = (2р)-23 (ёеОо)2 ехр{-±(У - £д)*тТ^У - £о)}, ) = (2р)-2 (аеО\)2 ехр|-!(У - £ 1)*т Т-1(У - Ц,

где то, т 1 - математические ожидания сигнала при гипотезах Нд и Н. то = вв*тММ(н0)В, Т = ВВ*тм(н1 )ВВ, £о = В*т йд, ¡¡1 = В*тй 1.

183

При этом логарифм отношения правдоподобия для дискретной выборки у объема N (определяемого разрешающим объемом РЛС) записывается в виде

ь = |1п+^' X ((у-- 10)*Т'т0-1'(у-- 10)- (у--111 )*Т  т1-1 (у--111)}

Решающее правило заключается в сравнении отношения правдоподобия с порогом С и принятием решения об отсутствии (гипотеза Н 0) или наличии (гипотеза н1 ) обнаруживаемой цели в разрешаемом объеме. Принятие решения осуществляется с применением критерия Неймана -Пирсона [2]. Применение этого критерия обусловлено тем, что в данном случае отсутствует априорная информация о вероятностях состояний и потерях при принятии решений. В случае применения этого критерия, порог принятия решения определяется таким образом, чтобы вероятность ошибки первого рода Б (вероятность ложной тревоги) была не больше заданного значения Р0.

На вход решающего правила поступает выборка ПВР, представляющая собой смесь полезного сигнала отраженного от цели и сигнала от помехи, текущие оценки параметров распределения которой можно получить в процессе наблюдения

%0) = М(Н1)-Щ, й(Н0)= й(Н1)-й. Таким образом, имея априорные данные о цели, возможно формировать параметры распределения ПВР для решающего правила, используя текущие оценки распределения входной выборки, представляющей собой смесь сигналов от цели и помехи.

При проведении экспериментов отношение сигнал/помеха опреде-2

лялось как дц / П = Рц / Рп. При этом мощности сигналов помехи и сигналов, отраженных от цели, определялись как след матрицы

М = -Ц. £ и- иТ*, 8р(ш ) = Мп + М22 + М33 + М44 » Р, п -1 -=1

1 п 2 1 п 2 1 п 2

где Мп = —- X иЦ , М22 = — X иЬ , М33 = —- X и3з1, п -1 -=1 п-1 -=1 п-1 -=1

1 п 2

М44 = —Г Хи44 . п -1 -=1

Результаты экспериментальных исследований по обнаружению целей типа уголковый отражатель и автомобили (1 - ЗИЛ 130, 2 - тягач) на фоне ответной импульсной помехи, сопряженной со спектром зондирую-

184

щего сигнала, приведены на рис. 2. По оси ординат отложены значения отношения правдоподобия (по мощности в дБ), по другой оси отложены значения отношения сигнал от цели к сигналу помехи.

4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18

г'

— уг. отр.

— - машина №1

— машина №2

ОП

Рис. 2. Зависимость отношения правдоподобия от отношения сигнала от цели к сигналу помехи

Анализ приведенных результатов показывает, что обнаружение цели на фоне активных прицельных помех, сопряженных со спектром зондирующего сигнала с вероятностью правильного обнаружения 0,9 и вероятностью ложной тревоги порядка 10-4, возможно при значении отношения Рц /Рц порядка -17...-15 дБ при обнаружении целей типа автомобиль и

порядка -23.-21 дБ при обнаружении цели типа уголковый отражатель. При этом порог обнаружения составляет порядка 6.6,5 дБ.

Выводы. Применение комбинированного алгоритма обнаружения целей на фоне активных помех позволит не только обеспечить приемлемые показатели обнаружения, но и эффективно использовать временной баланс РЛС. Использование алгоритма обнаружения цели на фоне ответной импульсной помехи, сопряженной со спектром зондирующего сигнала, построенного с использованием критерия Неймана - Пирсона позволяет достигать приемлемых показателей качества обнаружения при отношении «сигнал/помеха» до -23 дБ.

5.0

0.0

0

0 2.0

0

5.0 --

-10.0 --

-15.0

-20.0

-25.0

-30.0

Список литературы

1. Канарейкин Д.Б., Потехин В.А., Шишкин И.Ф. Морская поляри-метрия. М.: Изд-во «Судостроение», 1968. 328 с.

2. Теоретические основы радиолокации: учебное пособие для вузов / под ред. Я.Д. Ширмана. М.: Сов. радио, 1970. 560 с.

3. Канарейкин Д.Б., Павлов Н.Ф., Потехин В.А. Поляризация радиолокационных сигналов. М.: Сов. радио, 1966. 440 с.

185

4. Поздняк С.Н., Мелитицкий В.А. Введение в статистическую теорию поляризации радиоволн. М.: Сов. радио, 1974. 480 с.

5. Гусев В.Г., Филатов А.Д., Соколов А.П. Поляризационная модуляция. М.: Сов. радио, 1974. 288с.

6. Акиншин Н.С., Румянцев В.Л., Процюк С.В. Поляризационная селекция и распознавание радиолокационных сигналов. Тула: Лидар, 2000. 316 с.

7. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарычев В. А. Поляризация радиоволн. Кн. 1. Поляризационная структура радиолокационных сигналов. М.: Радиотехника, 2005. 702 с.

8. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарычев В. А. Поляризация радиоволн. Кн. 2. Радиолокационная поляриметрия. М.: Радиотехника, 2007. 638 с.

9. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн. Кн. 3. Радиополяриметрия сложных по структуре сигналов. М.: Радиотехника, 2008. 688 с.

Козлов Анатолий Иванович, д-р физ.мат. наук, проф., webcontact@mstuca.aero, Россия, Москва, МГТУ ГА,

Амнинов Эрдни Васильевич асп., webcontact@mstuca.aero, Россия, Москва, МГТУ ГА,

Вареница Юрий Иванович, нач. отдела, wuiv@yandex. ru, Россия, Московская обл., Железнодорожный, АО НИТИ,

Румянцев Владимир Львович, д-р техн. наук, зам. нач. отдела, vlroomayandex.ru, Россия, Тула, АО «Центральное конструкторское бюро аппарато-строения»

POLARIMETRIC ALGORITHMS FOR RADAR DETECTION OF OBJECTS IN THE BACKGROUND JAMMING

A. I. Kozlov, E. V. Amninov, Yu. I. Varenitsa, V. L. Rumyantsev

Discusses the combined detection algorithm radiolocation-tion of objects in the background jamming synthesized based on the sequence-implement a consistent algorithm of Wald and polarization-statistical algorithm for RA-geolocation systems with polarization sensing at two frequencies. Defined indicators of the quality of the algorithm using the models, radiolocate-tive objects. The results of experimental study of the algorithm of target detection on the background of the response-pulse interference, coupled with the spectrum of the probing signal.

Key words: algorithm, obstacle detection, radar object.

Kozlov Anatoly Ivanovich, Dr. Sc.m. Sciences, Professor, webcontact@mstuca.aero Russia, Moscow, MGTUHA,

Amniniv Erdni Vasilevich, postgraduate student, webcontact@mstuca. aero , Russia, Moscow, MGTU HA,

Varenitsa Yuriy Ivanovich, head of department, w uiv@yandex. ru, Russia, Moscow Region, Zheleznodorozhny, JSC "NITI",

Rumiantsev Vladimir Lvovich, D. Sc. (Eng.), assistant head of department, vlroomayandex.ru, Russia, Tula, JSC "CentralDesign Bureau of Apparatus Engineering"

УДК 623.4.082

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ТЕНДЕНЦИЙ РАЗВИТИЯ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ГОЛОВОК САМОНАВЕДЕНИЯ

БОЕПРИПАСОВ

А.А. Ошкин

Проведен анализ перспективных головок самонаведения ВТО армий России и вероятного противника. Предложена методика, позволяющая перейти от оценки боевой эффективности отдельных комплексов к оценке эффективности совокупности боевых операций всей системы ВТО. Обосновано, что при применение в артиллерийских боеприпасах головок самонаведения позволяет существенно разрешить возможности ВТО и повысить показатели их эффективности.

Ключевые слова: головки самонаведения, боеприпасы, противотанковые ракетные комплексы

Качественно новый уровень Сухопутных войск (СВ) и гарантированное превосходство отечественного высокоточного оружия (ВТО) над зарубежным могут быть обеспечены за счет [1]:

- резкого повышения боевой производительности при применении залповой стрельбы с одновременным наведением боеприпаса на несколько целей;

- использования управляемых боеприпасов с различными системами наведения: лазерно-лучевой, лазерной полуактивной, автономного самонаведения (инфракрасный (ИК) - миллиметрового (ММ) диапазона длин волн);

- увеличения дальности обнаружения и поражения целей;

- применения управляемых боеприпасов многоцелевого назначения, обеспечивающих эффективное поражение различного типа целей, включая перспективные танки, оборудованные активной и динамической защитой (в том числе БДЗ-1 и БДЗ-2);

- повышения частости применения в затрудненных метеоусловиях и в темное время суток;

- применения различных способов поражения целей, включая поражение сверху по пикирующим траекториям.

Перечисленные новые качества реализуются в перспективной системой ВТО СВ, включающей четыре подсистемы:

187