Методологические основы выбора структуры микропроцессорных устройств классификации воздушных объектов многофункциональных РЛС

И.В. Лазарев,

кандидат технических наук, доцент

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ВЫБОРА СТРУКТУРЫ МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВ КЛАССИФИКАЦИИ ВОЗДУШНЫХ ОБЪЕКТОВ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫХ РЛС

METHODOLOGICAL BASES OF A CHOICE OF STRUCTURE OF MICROPROCESSOR DEVICES OF CLASSIFICATION OF AIR OBJECTS MULTIPURPOSE RADAR STATION

Предложен новый подход к решению задачи классификации воздушных объектов, основанный на поиске оптимального решения оптимизационной задачи при выбранном критерии эффективности, и позволяющий осуществлять обоснованный выбор структуры микропроцессорного устройства классификации.

The new approach to the decision of a problem of classification of the air objects, based on search of the optimum decision of an optimising problem is offered at the chosen criterion of efficiency, and allowing to carry out the proved choice of structure of the microprocessor device of classification.

За последние годы появилось много работ, посвящённых вопросам распознавания воздушных объектов (ВО). Неоднозначная степень опасности различных типов ВО обуславливает необходимость создания систем распознавания, обеспечивающих классификацию летательных объектов. Следует отметить, что структура систем распознавания определяется техническими возможностями измерения признаков, содержащихся в дальностных радиолокационных портретах и обладающих большой помехоустойчивостью и информативностью.

Решение данной задачи возможно при построении многофункциональной (МНФ) РЛС. В ней наряду с узкополосным режимом, обеспечивающим решение задачи обнаружения ВО, реализуется режим излучения широкополосного зондирующего сигнала, позволяющего получить дальностные радиолокационные портреты на выходе приёмного устройства, а систему распознавания строить по принципу встраивания отдельного канала, который органически вписывается в информационные системы РЛС.

При этом центральным устройством канала распознавания является устройство классификации, которое должно обладать гибкостью при принятии решения, что возможно при использовании микропроцессорных устройств классификации (МПУК) [1].

При этом алгоритм синтеза МПУК включает ряд этапов, а сама процедура определяется согласно следующей последовательности (рис. 1).

Рис.1. Блок-схема алгоритма синтеза МПУК

Если в процессе реализации МПУК условие блока 5 невыполнимо, то следует использовать подход, приведенный на рис. 2. Отличительной особенностью алгоритма является раздвоение синтеза на аппаратную и программную части.

Рис. 2. Блок-схема реализации структур МПУК

При этом процедура синтеза структур МПУК определяется согласно следующему алгоритму:

Блок 1. Производится формулировка задачи. В настоящее время существует два подхода к распознаванию ВО: первый, когда классы не определены и второй, когда эта задача решена исходя из каких-либо соображений.

Применительно к обзорным МНФ РЛС целесообразен второй подход. При этом деление ВО на классы определяется целевым характером используемой информации, а именно: первый класс — крупноразмерные, второй класс — среднеразмерные, третий класс — малоразмерные [2].

Блок 2. Осуществляется анализ возможных методов решения задачи классификации ВО и производится выбор математического метода в соответствии с рабочим словарём признаков, содержащихся в дальностных радиолокационных портретах (ДРЛП).

Блок 3. На основе рабочего словаря признаков синтезируется алгоритм распознавания классов ВО, производится суммарная оценка сложности его реализации, определяется характер обмена данными с внешними устройствами (датчиками).

Блок 4. В соответствии с разработанным алгоритмом осуществляется выбор структуры МПУК.

Блок 7. В соответствии с разработанным алгоритмом реализуется МПУК с непосредственным преобразованием ДРЛП по схеме АЦП и микропроцессорное вычислительное устройство (МПВУ) [1]. Программа заносится в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) микропроцессорного вычислительного устройства (МПВУ) и определяет последовательность выполняемых операций, соответствующих решающему правилу, обеспечивающему требуемую эффективность распознавания ВО. Ограниченные вычислительные возможности МПВУ приводят к необходимости выполнения ряда операций алгоритма с помощью аппаратных средств. Производится оценочный расчёт вычислительных затрат необходимых для выполнения алгоритма распознавания.

Блок 5. Проверяется соответствие требований к МПУК по возможности как обработки информации, так и выдачи результатов распознавания в систему управления в режиме реального масштаба времени в соответствии с критерием эффективности [3]:

где И; — показатель эффективности распознавания классов ВО при реализации ь го варианта;

— показатель, учитывающий финансовые затраты на реализацию ь го варианта;

8; — показатель, учитывающий временные затраты на выполнение алгоритма при реализации ь го варианта.

В условиях трехальтернативной классификации ВО используется в качестве показателя Н матрица вероятностей правильных и ошибочных решений

здесь диагональные элементы (Ру, 1=]) — вероятность правильного распознавания, а недиагональные (Ру, ^) — вероятности ошибок распознавания. Применительно к МНФ РЛС требования к временным затратам могут исходить из следующего [4].

Для оценки величины 1 полагаем, что в ]м обзоре подлежит распознаванию К] целей, число направлений в зоне обнаружения равно Кз (количество зон обнаружения), при этом на каждом направлении число целей, подлежащих распознаванию не более одной. Тогда с учётом сделанных допущений среднее время, необходимое для просмотра всех направлений в зоне обзора РЛС в ] м обзоре:

О' =

где N З' — количество целей в _]-й зоне обнаружения;

Р11 Р12 Р13

P = Р21 Р22 Р23

Р31 2 3 Р3 Р33

Тш, Тс — среднее время анализа направления при отсутствии и при наличии цели в

направлении локации соответственно.

Учитывая, что в МНФ РЛС этапу распознавания предшествует этап обнаружения ВО, в выражении (3) Тш можно принять равной нулю, тогда

т . = ' .

е N0-

З' _

Применительно к РЛС кругового обзора время X ] можно определить через тактико-технические характеристики:

1' =Л0О,5 д / УА ,

где ¥а — скорость вращения антенно- фидерной системы, град/с;

Л*0, 5 р — ширина диаграммы направленности в горизонтальной плоскости по уровню

половинной мощности, град.

С учётом того, что N3] для одного направления можно принять равным 1,

Т' = Л#о 5р /УА и определяет требование к режиму распознавания ВО в РМВ, а имен-

но: классификация по >й цели должна быть осуществлена за время, не превышающее Ту =Т + Т ,

У] е] рп >

где Трп — временные затраты при реализации решающего правила.

На практике целесообразно пользоваться величиной полной вероятности ошибок распознавания целей

1 к

Р = 1 У Р ,

ош / J и ’ V /

где к — число распознаваемых классов.

С учётом выражения (6) критерий эффективности можно записать в виде

^Р = щРош / Рошдоп + Щ2ЖУ /Ждоп + / Тдоп  .

3

Здесь Щ, Щ , Щ , коэффициенты, удовлетворяющие условию УЩ = 1;

г=1

Рошд — допустимая вероятность ошибки распознавания;

Жу , Щдоп — суммарные и допустимые финансовые затраты на реализацию ьго варианта МПУК;

Т^, Тдоп — временные затраты при реализации алгоритма и величина, соответствующая режиму реального масштаба времени, соответственно.

Производится оценка соответствия показателей критерия эффективности и выявляется несоответствие требованиям, предъявляемым к МПУК. Производится расчёт вычислительных затрат для выполнения алгоритма распознавания. Ограниченные вычислительные возможности МПВУ приводят к необходимости выполнения ряда операций алгоритма с помощью аппаратных средств.

Принимается решение о раздвоении процедуры синтеза на аппаратную и программные части.

Блок 8. Детализируется аппаратная часть МПУК, сводящаяся к разработке цифровых и аналого-цифровых устройств — функциональных расширителей с использова-

нием достижений современной элементной базы схемотехники и микроэлектроники, производится оценочный расчёт объёма аппаратурных затрат.

Блок 9. Детализируется программная часть, заключающаяся в составлении рабочей программы применительно к выбранному МПВУ. Производится оценочный расчёт вычислительных затрат: объём памяти, время выполнения алгоритма.

Блок 6. Принимается решение об изыскании возможностей решения поставленной задачи в рамках реализации структур МПУК, например:

выполнить ряд операций алгоритма аппаратным путём в связи с недостаточным быстродействием МП;

изменить способ обмена данными ;

выбрать другой МП и другую элементную базу для реализации аппаратной части.

После этого осуществляется переход на блоки 8 и 9, в противном случае — корректировка алгоритма классификации, метода распознавания и в исключительных случаях — постановка задачи синтезируемой системы, а также исходных данных, тактикотехнических требований и, возможно, уточнение критерия эффективности.

Рассмотренные методологические подходы показывают, что МПУК являются составной частью канала распознавания, а их реализация в условиях ограниченных вычислительных возможностей МПВУ достигается путём комплексного использования программных и аппаратных средств. При этом алгоритм выбора МПУК следующий:

1. На основании концепции создания канала распознавания и, в частности, МПУК, определяются частные показатели критерия эффективности, в соответствии с которым формируется множество возможных вариантов.

2. По имеющейся модели функционирования МПУК отбирается наиболее предпочтительный вариант.

3. Если данный вариант удовлетворяет критерию эффективности, то он используется в качестве окончательного для построения МПУК.

4. Если среди предложенных вариантов не окажется приемлемых, то необходимо предусмотреть корректировку либо алгоритма классификации, либо метода распознавания, а в исключительных случаях— постановку задачи синтезируемой системы, а также исходных данных, тактико-технических требований и, возможно, уточнив критерий эффективности.

Применение предложенного подхода позволит наиболее полно исследовать альтернативные варианты МПУК, обоснованно определять предпочтительный вариант устройства классификации и существенно сократить время при проектировании канала распознавания ВО.

ЛИТЕРАТУРА

1. Лазарев И.В. Принцип построения быстродействующих устройств автоматической классификации обзорных РЛС с широкополосными зондирующими сигналами / И.В. Лазарев // Охрана, безопасность и связь —2007: материалы Всероссийской научно-практической конференции.— Ч. 1.— Воронеж: Воронежский институт МВД России, 2007.— С. 166—168.

2. Горелик А. Л. Селекция и распознавание на основе локационной информации / А.Л. Горелик. — М. : Радио и связь, 1990.

3. Лазарев И.В. К вопросу о критерии эффективности устройств классификации обзорных РЛС с широкополосными зондирующими сигналами / И. В. Лазарев // Охрана, безопасность и связь — 2007: материалы Всероссийской научно-практической конференции.—Ч. 1.— Воронеж.: Воронежский институт МВД России, 2007.— С. 164—166.

4. Лазарев И.В. Система показателей векторного критерия эффективности микропроцессорных устройств классификации воздушных объектов / И.В. Лазарев // Вестник Воронежского института МВД России. — 2008.—№2.— С.80—83.