Устройство селекции ложных целей

Полезная модель относится к радиолокации и может быть использована в обзорных когерентно-импульсных радиолокационных станциях (РЛС) разведки, обеспечивающих мониторинг воздушной обстановки, и в когерентно-импульсных РЛС сопровождения для селекции ложных целей от истинных целей.
Проблема защиты от ответных имитационных помех является крайне актуальной, т.к. эти помехи приводят к наиболее существенному нарушению функционирования радиолокационных систем и дезориентации путем формирования на индикаторе РЛС отметок от ложных целей. Результатом воздействия таких помех является, к примеру, необнаружение эхо-сигналов от воздушной цели или перегрузка вычислительной системы РЛС за счет обработки большого объема ложной информации о воздушной обстановке.
2
Известны устройства для защиты от активных имитирующих помех -ложных целей, аналогичные по назначению [1]. Эффективность этих устройств во многом зависит от внедрения дополнительных аппаратных средств и априорных знаний о сигнально-помеховой обстановке. Недостатками данных устройств являются невозможность одновременной защиты от уводящих по дальности и скорости помех, применение в системах защиты дополнительных сторожевых стробов, перестройка рабочей частоты. Также, современная тенденция размещения ретрансляторов на борту мини/микро беспилотного летательного аппарата самолетного или вертолетного типа, на крылатых ракетах типа MALD и TALD [2] не позволяет РЛС произвести обнаружение истинного сигнала, обусловленного вторичным излучением от малоразмерной цели (эффективная отражающая поверхность таких целей порядка (0,1÷0,001 м)). Эта особенность делает неработоспособными устройства защиты от ретранслирующих помех, основанных на сравнении сигналов от ложных и истинных целей, в виду отсутствия последних.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по техническому решению к предлагаемой полезной модели является устройство селекции ложных целей в канале дальности РЛС со сложным импульсным сигналом [3], (структурная схема которого показана на фиг. 1), содержащее типовой приемный тракт, включающий сжимающий фильтр (СФ), дискретизатор, детектор огибающей, накопитель и обнаружитель, и дополнительное устройство, включающее оперативно-запоминающие устройства (ОЗУ1, ОЗУ2), вычислитель модулей коэффициентов корреляции между отсчетами комплексного сжатого сигнала и пороговое устройство для сравнения модулей коэффициентов корреляции с фиксированным порогом.
Работа известного устройства основана на селекции истинных и ложных целей, осуществляемая на основе оценок коэффициентов корреляции между отсчетами комплексного сигнала на выходе СФ приемника РЛС. Вычисление указанных коэффициентов проводится для тех отсчетов по дальности, в которых произошло обнаружение сигналов. Если в двух и более отсчетах обнаружение произошло под воздействием одного сигнала помехи (как в случае амплитудно-модулированной помехи ретранслятора), то флюктуации соответствующих отсчетов сжатого сигнала должны быть заметно коррелированы. При этом флюктуации отсчетов сжатого сигнала, соответствующих положениям истинных целей, слабо коррелированы с флюктуациями отсчетов, соответствующих ложным целям. Для принятия решения о принадлежности обнаруженных целей к истинным или ложным целям модули полученных оценок коэффициентов корреляции сравниваются с заданным порогом. Если для какой-либо пары отсчетов порог превышен, обе цели считаются ложными.
Недостатком вышеуказанного устройства являются:
- защита от активных имитирующих помех существует только в канале по дальности;
- необходимым условием принятия решений для селектора относительно номеров отсчетов (каналов) по дальности является наличие пары ложных или истинных целей;
- невозможность определения принадлежности сигналов от активной имитирующей помехи на выходе обнаружителя приемника РЛС, когда сигнал помехи обнаружен впереди, либо после сигнала истинной цели, когда сигнал истиной цели не превышает порог обнаружителя (например, сигнал от малоразмерной цели);
- невозможность определения принадлежности сигналов на выходе обнаружителя приемника РЛС (селекция истинной и ложной цели), в случае, когда в канале по дальности присутствуют по одному сигналу ложной и истинной цели.
Достигаемый технический результат - возможность селекции одиночных ложных или/и истинных целей в каналах по дальности и скорости, повышающая помехозащищенность РЛС.
Дополнительным техническим результатом является повышение вероятности правильного распознавания ложных и истинных целей на основе результатов обработки за несколько периодов обзора (зондирования), выполняемой решающим устройством.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем последовательно соединенные комплексный сжимающий фильтр, на вход которого поступает комплексный сигнал промежуточной частоты приемника РЛС, дискретизатор, детектор огибающей сжатого сигнала, накопитель и обнаружитель, оперативно запоминающее устройство (ОЗУ1) для запоминания отсчетов комплексного сжатого сигнала, вход которого подключен к выходу дискретизатора, оперативно запоминающее устройство (ОЗУ2) для запоминания отсчетов сигнала обнаружения, вход которого подключен к выходу обнаружителя, а также вычислитель и пороговое устройство (ПУ), на второй вход которого подается фиксированный порог, вычислитель выполнен с возможностьювычисления меры когерентности сигнала, содержащий последовательно соединенные блок формирования оценочной (выборочной) корреляционной матрицы (КМ), блок вычисления собственных чисел КМ и блок вычисления энтропии, при этом первый и второй входы блока формирования оценочной КМ подключены к выходам ОЗУ1 и ОЗУ2, соответственно, а ПУ выполнено с возможностью сравнения значений энтропий с фиксированным порогом, первый вход которого соединен с выходом блока вычисления энтропии, кроме того, дополнительно введено решающее устройство, содержащее блок логики «m из n» и (n-1) блоков задержки на период обзора, причем выход ПУ соединен с входом первого из цепочки последовательно соединенных (n-1) блоков задержки на период обзора и первым входом блока логики «т из п», при этом выход каждого из (n-1) блоков задержки на период обзора соединен с входами блока логики «m из n», выход которого является выходом устройства.
m - число превышений заданного порога h.
n - количество входов блока логики, соответствующее общему числу периодов обзора, на котором формируется признак цели.
m, n - 1, 2, 3,...
На фиг. 2 представлена структурная схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1 - СФ;
2 - дискретизатор;
3 - детектор;
4 - накопитель;
5 - обнаружитель;
6 - ОЗУ1;
7 - ОЗУ2;
8 - вычислитель меры когерентности сигнала;
9 - ПУ;
10 - решающее устройство;
11 - блок формирования оценочной КМ;
12 - блок вычисления собственных чисел КМ;
13 - блок вычисления энтропии;
14 - блок задержки;
15 - блок логики.
Устройство селекции ложных целей содержит последовательно соединенные комплексный СФ 1, на вход которого поступает комплексный сигнал промежуточной частоты приемника РЛС, дискретизатор 2, детектор 3 огибающей сжатого сигнала, накопитель 4 и обнаружитель 5, а также оперативно запоминающее устройство (ОЗУ1) 6 для запоминания отсчетов комплексного сжатого сигнала, вход которого подключен к выходу дискретизатора 2, оперативно запоминающее устройство (ОЗУ2) 7 для запоминания отсчетов сигнала обнаружения, вход которого подключен к выходу обнаружителя 5, вычислитель меры когерентности сигнала 8, ПУ 9 для сравнения значений энтропий с фиксированным порогом и решающее устройство 10. При этом вычислитель меры когерентности сигнала 8 содержит последовательно соединенные блок формирования оценочной (выборочной) КМ 11, блок вычисления собственных чисел КМ 12 и блок вычисления энтропии 13, причем выход ОЗУ1 6 подключен к первому входу блока формирования оценочной КМ 11, ко второму входу которого подключен выход ОЗУ2 7. В состав решающего устройства 10 входят (n-1) блоков задержки 14 на период обзора и блок логики 15 «m из n». При этом первый вход ПУ 9 соединен с выходом блока вычисления энтропии 13, а на второй вход подается фиксированный порог, причем выход ПУ 9 соединен с входом первого из цепочки последовательно соединенных (n-1) блоков задержки 14 на период обзора и первым входом блока логики 15 «m из n». Кроме того, выход каждого из (n-1) блоков задержки 14 на период обзора соединен с входами блока логики 15 «m из n», выход которого является выходом устройства.
СФ 1, дискретизатор 2, детектор 3 огибающей сжатого сигнала, накопитель 4 и обнаружитель 5 образуют типовой приемный тракт.
ОЗУ1 6, ОЗУ2 7, вычислитель меры когерентности сигнала 8, ПУ 9 и решающее устройство 10 образуют дополнительное устройство.
Блок задержки 14 на период обзора может быть реализован, например, на линиях задержки.
Блок логики 15 «m из n» представляет собой конфигурируемый логический блок на основе логических вентилей.
Устройство работает следующим образом.
Описание работы типового приемного тракта, содержащего последовательно соединенные комплексный СФ 1, дискретизатор 2, детектор 3 огибающей сжатого сигнала, накопитель 4 и обнаружитель 5, такое же, как и в прототипе [3].
Работа заявляемого устройства основана на оценке меры когерентности радиолокационных сигналов как энтропии распределения энергии сигнала по собственным подпространствам его корреляционной матрицы [4, 5] для выявления дополнительного признака селекции ложных целей, а именно, разницу значений распределения энергии сигналов, отраженных от истинных и ложных целей при фиксированном отношении сигнал-шум (ОСШ).
Принцип работы предлагаемого устройства основан на анализе «жесткости» временной структуры принимаемого сигнала и оперирует понятием когерентности сигнала [6].
При обнаружении сигналов в обнаружителе 5 и запоминании номеров каналов по дальности в ОЗУ2 7, с ОЗУ2 7 выдается целеуказание (ЦУ) по каналам (например, по дальности) в вычислитель меры когерентности сигнала 8, а именно в блок формирования оценочной КМ 11. Кроме того, все вектор-столбцы S сигналов после дискретизатора 2 записываются в ОЗУ1 6. Блок формирования оценочной КМ 11 считывает с ОЗУ 1 6 только те каналы, которые получены по ЦУ с ОЗУ2 7.
Блок формирования оценочной КМ 11 Ф образован вектор-столбцом S фиксированной размерности N своих отсчетов и описывается формулой (1):
H
где - знак эрмитово сопряжения.
Далее КМ Ф с выхода блока формирования оценочной КМ 11 поступает на вход блока вычисления собственных чисел КМ 12, где происходит спектральное разложение КМ Ф, вычисление собственных чисел и их нормировка.
1
N
1
N
1
2
r
r+1
N
Мера когерентности основана на оценке КМ Ф произвольного сигнала [4]. Будучи эрмитовой и неотрицательно определенной, КМ Ф по формуле (1) имеет ортонормированную систему собственных векторов U,...,U и совокупность соответствующих этим векторам неотрицательных собственных значений λ,...,λ. Причем количество ненулевых собственных значений (взятых с учетом их алгебраической кратности) совпадает с рангом r КМ Ф, а кратность нулевого собственного значения равна N - r. Считаем, что все собственные значения, кроме нулевого, имеют единичную кратность, и нумеруем их в порядке убывания λ>λ>...>λ>λ=...=λ=0.
Спектральное разложение эрмитовой КМ Ф описывается формулой (2):
где i=1, 2, 3,…,N.
i
1
r
Так как произведение  является матрицей-проектором на i-е собственное подпространство матрицы Ф, величина λ определяет собой среднее значение энергии сигнала, приходящейся на это подпространство. Отсюда следует, что вектор-столбец S сигнала полностью принадлежит r-мерному подпространству с базисом U,...,U, и верхний предел суммирования в формуле (2) равен r.
0i
Нормировка собственных чисел λ; в блоке вычисления собственных чисел КМ 12 проводится по формуле (3):
0
0i
где SрФ - след (сумма диагональных элементов) КМ Ф, который характеризует среднюю энергию сигнала. Совокупность нормированных собственных чисел Ai можно интерпретировать как закон статистического распределения энергии сигнала по собственным подпространствам его КМ Ф. При этом каждое нормированное собственное число λ определяет вероятность распределения энергии сигнала на i-e собственное подпространство КМ Ф. Меру когерентности при таком статистическом подходе можно постулировать как степень беспорядка (хаоса), то есть энтропии Н в распределении энергии сигнала по собственным подпространствам его КМ Ф.
0i
Совокупность нормированных собственных чисел λ поступает на вход блока вычисления энтропии 13. При этом энтропия Н вычисляется по формуле (4):
где основание логарифма - любое число, большее единицы.
Количественная мера в виде энтропии Н придает точный смысл когерентным свойствам сигналов. Так при заданной размерности N когерентными (или полностью когерентными) следует считать сигналы с нулевой энтропией, а полностью некогерентными - с энтропией log N. Все остальные сигналы, энтропия распределения энергии которых заключена между этими двумя значениями, являются частично когерентными. Причем, чем больше значение энтропии, тем больше беспорядок распределения и тем, соответственно, менее когерентен сигнал.
эт
эт
эт
С выхода блока вычисления энтропии 13 формируется текущая оценка значения энтропии  распределения энергии сигнала, полученная с одного обзора, и далее поступает в ПУ 9, где выполняется операция сравнения выражения  - Н с заданным порогом h, где Н - табличное значениеэнтропии распределения энергии сигнала, хранящееся в банке данных и восстановленное по эмпирическим данным от сигналов реальных воздушных целей. Так как характеристики распределений значений энтропии от ложных целей при фиксированных ОСШ располагаются выше по сравнению с характеристиками истинных целей, то на выходе ПУ 9 разность  - Нбудет превышать h (заданный порог).
Выдача признака о наличии/отсутствия ложной цели происходит с использованием решающего устройства 10, работающего в соответствии с логикой «m из n». С выхода ПУ 9 на вход блока логики 15 поступают n сигналов, (n-1) из которых задержаны относительно предыдущего на период обзора. При выявлении в ПУ 9 m превышений заданного порога h, решающим устройством 10 осуществляется выдача решения о признаке ложной цели.
Устройство позволяет однозначно произвести селекцию цели в каналах по дальности и скорости, независимо от наличия или отсутствия других целей в каналах обработки.
Получение технического результата, заявленного в настоящей полезной модели, подтверждается натурными экспериментами, результаты которых приведены в [7].
Таким образом, благодаря тому, что в известном устройстве, содержащем комплексный сжимающий фильтр, дискретизатор, детектор огибающей сжатого сигнала, накопитель и обнаружитель, ОЗУ1 для запоминания отсчетов комплексного сжатого сигнала, ОЗУ2 для запоминания отсчетов сигнала обнаружения, а также вычислитель и ПУ,  вычислитель выполнен с возможностью вычисления меры когерентности сигнала, содержащий блок формирования оценочной КМ, блок вычисления собственных чисел КМ и блок вычисления энтропии, при этом ПУ выполнено с возможностью сравнения значений энтропий с фиксированным порогом, и дополнительно введено решающее устройство, содержащее блок логики «m из n» и (n-1) блоков задержки на период обзора, ссоответствующими связями, обеспечивается возможность селекции одиночных ложных или/и истинных целей в каналах по дальности и скорости, повышающая помехозащищенность РЛС от ложных целей, при этом используются лишь алгоритмические способы первичной обработки сигналов на современных микропроцессорах, не изменяя аппаратных параметров станции.
Источники информации:
1. Защита радиолокационных систем от помех. Состояние и тенденции развития / Под ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова, М.: Радиотехника, 2003, С. 109-136;
2. Авиационные групповые средства РЭБ вооруженных сил США / С. Яшин, Зарубежное военное обозрение, 2016, №9, С. 64-68;
3. патент РФ №120237 на полезную модель «Устройство селекции ложных целей в канале дальности РЛС со сложным импульсным сигналом», опубл. 10.09.2012, заявка №2012115359 от 17.04.2012, МПК G01S7/36 - прототип;
4. Метод оценки когерентных свойств радиолокационных сигналов / П.В. Михеев, Известия вузов. Радиофизика, 2006, Т. XLIX, №1, С. 82-87;
5. Оценка когерентности радиолокационных сигналов в антенных решетках на основе анализа распределений энергии сигнала по собственным числам корреляционной матрицы / Орлов И.Я., Фитасов Е.С., Ивлев Д.Н., Козлов С.А., Антенны, №3, 2017, С. 31-36;
6. Теоретические основы радиолокации. Под. ред. Ширмана Я.Д. Учебное пособие для вузов. М., изд-во «Советское радио», 1970, С. 560;
7. Экспериментальные исследования возможности распознавания ложных целей на основе оценки когерентности радиолокационных сигналов / Козлов С.А., Фитасов Е.С., Сорокина А.В., Жарков Ю.А., Насонов В.В., Труды XX научной конференции по радиофизике, посвященной 110-летию со дня рождения Г.С. Горелика / Под ред. С.В. Оболенского, В.В. Матросова, Нижний Новгород: ННГУ, 2016, С. 138-139.