УСТРОЙСТВО ИДЕНТИФИКАЦИИ СОПРОВОЖДАЕМОГО ВОЗДУШНОГО ОБЪЕКТА С АДАПТИВНЫМ ВЫБОРОМ МАКСИМАЛЬНОЙ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ ЕГО ПОВОРОТА ПРИ НЕСТАБИЛЬНОМ ПОЛЕТЕ В ТУРБУЛЕНТНЫХ СЛОЯХ АТМОСФЕРЫ

Полезная модель относится к радиолокационной технике и может быть использована для расширения информационных возможностей радиолокационных станций по идентификации (распознаванию) сопровождаемых воздушных объектов.
Известно радиолокационное устройство идентификации воздушных объектов [1], содержащее блок распознавания и приемопередатчик, причем в состав приемопередатчика входят импульсный модулятор (ИМ), генератор, антенна, связанная своим вход-выходом с вход-выходом антенного переключателя, выход которого соединен со входом приемника, выход которого связан со вторым входом первого коммутатора, первый вход которого подключен к выходу делителя частоты, вход которого соединен с выходом импульсного модулятора и входом генератора, выход которого подключен ко входу антенного переключателя (АП), а блок распознавания содержит квадратор, соединенный своим выходом со входом первой линии задержки, первым входом первого амплитудного накопителя со сбросом и первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу первой линии задержки, а выход - ко входу двухполупериодного выпрямителя, связанного своим выходом с первым входом второго амплитудного накопителя со сбросом, второй вход которого подключен к выходу второй линии задержки и ко второму входу первого амплитудного накопителя со сбросом, выход которого соединен со вторым входом делителя, первый вход которого подключен к выходу второго амплитудного накопителя со сбросом, а выход - к первому входу второго коммутатора, второй вход которого связан с выходом генератора импульсов сброса и входом второй линии задержки, а выход - со входом блока идентификации (БИ), причем выход первого коммутатора подключен ко входу квадратора.
Данное устройство способно идентифицировать воздушные объекты (ВО) различных классов или типов при их радиолокационном сопровождении. Признак идентификации, используемый в предлагаемом устройстве и выражающий интенсивность изменения амплитуды отраженного сигнала в соответствии с изменением ракурса локации и размерами воздушных объектов, является безразмерной величиной, не зависящей от дальности до объекта, что позволяет обеспечить хорошее качество идентификации в широком диапазоне дальностей. Однако используемый признак идентификации обеспечивает качественную работоспособность устройства только в отношении ВО, не имеющих открытых структур двигательных установок. При наличии отражений радиоволн от вращающихся элементов двигательных установок отражательная характеристика ВО (как амплитудная, так и фазовая) будет искажена и модулирована турбовинтовыми составляющими, в результате чего признак идентификации может потерять эффективность.
Отражательная характеристика (ОХ) объекта есть зависимость амплитуды отраженного объектом сигнала от времени в реальных условиях сопровождения по угловым координатам и дальности. В этом ее принципиальное отличие от диаграммы обратного рассеяния, широко известной в радиолокации. В реальных условиях изменение углового положения ВО всегда происходит с переменной угловой скоростью, которая на встречных ракурсах может даже менять свое направление.
Известно радиолокационное устройство идентификации воздушных объектов [2], в состав которого входят приемник, два амплитудных накопителя со сбросом, две линии задержки, БИ, сумматор, двухполупериодный выпрямитель, делитель, квадратор, низкочастотный фильтр (НЧФ), два коммутатора, ИМ, генератор, антенна, связанная своим вход-выходом с вход-выходом АП, выход которого соединен со входом приемника, первый вход первого коммутатора подключен к выходу делителя частоты, вход которого соединен с выходом импульсного модулятора и входом генератора, выход которого подключен к входу АП, причем квадратор соединен своим выходом со входом первой линии задержки, первым входом первого амплитудного накопителя со сбросом и первым входом сумматора, второй вход которого подключен к выходу первой линии задержки, а выход - ко входу двухполупериодного выпрямителя, связанного своим выходом с первым входом второго амплитудного накопителя со сбросом, второй вход которого подключен к выходу второй линии задержки и ко второму входу первого амплитудного накопителя со сбросом, выход которого соединен со вторым входом делителя, первый вход которого подключен к выходу второго амплитудного накопителя со сбросом, а выход - к первому входу второго коммутатора, второй вход которого связан одновременно с выходом генератора импульсов сброса и входом второй линии задержки, а выход - со входом БИ, причем выход первого коммутатора подключен ко входу квадратора, выход НЧФ соединен со вторым входом первого коммутатора, а вход - с выходом приемника.
Данное устройство способно идентифицировать ВО по амплитудному сигнальному признаку даже в условиях проявления турбовинтового эффекта (ТВЭ). Однако используемый в нем признак идентификации предполагает изменение ракурса локации объекта, в то время как сам факт изменения ракурса не проверяется. При встречных ракурсах движения и отсутствии траекторных нестабильностей (ТН) полета [3] угловое положение ВО относительно радиолокатора не меняется. На боковых ракурсах также возможно угловое замирание объекта, если угловая скорость поворота планера летательного аппарата (ЛА), связанная с перемещением его центра масс, будет скомпенсирована противоположно направленной угловой скоростью вращения корпуса ВО, обусловленной проявлением ТН (рыскания, тангажи, крены). В моменты угловой стабильности положения планера ЛА признак идентификации, реализуемый устройством [2], теряет эффективность.
Известно, наконец, радиолокационное устройство идентификации воздушного объекта с адаптивным выбором момента максимизации угловой скорости изменения его ракурса при траекторных нестабильностях полета в атмосфере [3]. Это устройство содержит последовательно соединенные ИМ, генератор, АП, приемник, НЧФ, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок вычисления коэффициентов автокорреляции (БВКА), блок сглаживания и нахождения экстремумов (БСНЭ), блок хранения данных (БХД), блок вычисления признака идентификации (БВПИ), БИ, а также содержит антенну, вход-выход которой связан с вход-выходом АП, причем выход АЦП подключен к второму входу БХД.
Указанное построение схемы устройства [3] позволяет ему формировать признак идентификации, выражающий степень изменения уровней отраженных сигналов при изменении ракурса локации воздушного объекта исключительно на интервалах с максимальной угловой скоростью поворота планера летательного аппарата относительно радиолокационной станции. Для нахождения такого момента отраженные сигналы запоминаются в течение избыточного интервала анализа порядка 5 с, а затем проводится корреляционный анализ сформированной и записанной в память амплитудной отражательной характеристики объекта. Максимум угловой скорости поворота определяется по минимизации оценочного коэффициента автокорреляции частной выборки отражений. Однако при большом многообразии (числе) типов ВО идентификация с помощью устройства [3] не может быть эффективной. Для повышения вероятности правильной идентификации ВО необходимо на предварительном этапе разделить всю совокупность объектов на классы крупных, средних и малых воздушных объектов. Тогда в пределах установленного класса можно эффективно реализовать процесс последующей идентификации. Значит, требуется привлечь для идентификации еще один признак, обеспечивающий разделение объектов на классы. Таким признаком может служить величина усредненной эффективной площади рассеяния.
Назначение полезной модели - обеспечение эффективной идентификации объектов за счет предварительного разделения объектов на классы по величине измеренной эффективной площади рассеяния и за счет последующего применения признака идентификации, выражающего степень изменения уровня отраженного сигнала при изменении ракурса локации ВО на интервалах с максимальной угловой скоростью его поворота относительно радиолокационной станции.
Для достижения обозначенной цели в состав известного устройства идентификации [3] предлагается дополнительно включить блок вычисления средней эффективной площади рассеяния (ЭПР), а также последовательно соединенные амплитудный детектор (АД), систему измерения дальности (СИД) и второй АЦП. При этом выход второго АЦП следует подключить к второму входу блока вычисления средней ЭПР (БВСЭПР), первый вход которого необходимо связать с выходом первого АЦП, а выход - со вторым входом БИ. Кроме того выход приемника необходимо соединить со входом АД.
Предложенное построение схемы позволяет заявляемому устройству проводить эффективную идентификацию ВО разных размеров в два этапа. На первом этапе по величине средней ЭПР предлагается разделять ВО на классы крупных, средних и малоразмерных объектов, а на втором этапе - проводить идентификацию ВО внутри установленного класса по реализованному в устройстве [3] признаку, равному сумме величин изменения уровней сигналов, отраженных ЛА на смежных углах пеленга при случайных рысканиях его планера.
На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого радиолокационного устройства идентификации сопровождаемого воздушного объекта с адаптивным выбором максимальной угловой скорости его поворота при нестабильном полете в турбулентных слоях атмосферы. Устройство состоит из импульсного модулятора (ИМ) 1, генератора 2, АП 3, антенны 4, БВКА 5, первого АЦП 6, НЧФ 7, приемника 8, БСНЭ 9, БХД 10, БВПИ 11, БИ 12, БВСЭПР 13, второго АЦП 14, СИД 15 и АД 16. При этом ИМ 1, генератор 2, АП 3, приемник 8, НЧФ 7, первый АЦП 6, БВКА 5, БСНЭ 9, БХД 10, БВПИ 11 и БИ 12 соединены последовательно. Выход приемника 8 связан с входом АД 16, выход которого подключен к входу СИД 15, выход которой связан с входом 2-го АЦП 14, подключенного своим выходом к второму входу БВСЭПР 13, выход которого соединен со вторым входом БИ 12, а первый вход - с выходом 1-го АЦП 6 и вторым входом БХД 10. Кроме того антенна 4 связана вход-выходом с вход-выходом АП 3.
0
Радиолокационное устройство идентификации сопровождаемого воздушного объекта с адаптивным выбором максимальной угловой скорости его поворота при нестабильном полете в турбулентных слоях атмосферы работает следующим образом. С помощью ИМ 1 возбуждается высокочастотный генератор 2, вырабатывающий радиосигналы на несущей частоте f, которые, пройдя АП 3, излучаются в направлении ВО через антенну 4. Отраженный от объекта сигнал принимается антенной 4 и через АП 3 подается на вход приемника 8. В блоке 8 отраженный сигнал переводится на промежуточную частоту, отфильтровывается от сигналов других станций и помех, усиливается и проходит согласованную фильтрацию. С выхода приемника 8 сигнал поступает на вход НЧФ 7.
Низкочастотный фильтр 7 выделяет из принятого сигнала его низкочастотную составляющую [4, 5], обусловленную отражениями волн только от планера ЛА. Наличие в устройстве низкочастотного фильтра 7 обусловлено следующим. При турбовинтовой модуляции отраженного сигнала ОХ ВО становится сильно изрезанной [5]. Наличие непредсказуемых амплитудных выбросов в ОХ приводит к нарушению закономерностей между размерами ВО и шириной наиболее узких лепестков ОХ. При ТВЭ узкие лепестки ОХ принадлежат турбовинтовым составляющим [4-6]. Их ширина не зависит от размеров и конфигурации объекта. В результате признак идентификации Q [3], зависящий от разности амплитуд смежных отраженных сигналов (импульсов), перестает верно реагировать на изрезанность планерной составляющей в ОХ, поскольку к амплитудам отражений от планера добавляются выбросы, обусловленные турбовинтовым эффектом. Для обеспечения работоспособности признака идентификации Q отражательную характеристику, изрезанную турбовинтовой модуляцией, сглаживают, т.е. пропускают через НЧФ 7. Этот фильтр должен пропускать полезный низкочастотный сигнал и устранять высокочастотную модуляцию. Полоса пропускания фильтра должна быть меньше, чем значение частоты первых турбовинтовых составляющих спектра отраженного сигнала. Так как частоты составляющих ТВЭ лежат в диапазоне от единиц до десятков кГц [6, 7], полосу пропускания фильтра 7 целесообразно выбрать равной 500 Гц. При прохождении через такой НЧФ амплитудная ОХ избавляется от турбовинтовой модуляции и становится низкочастотной планерной, т.е. пригодной для извлечения информации о размерах и геометрических особенностях ВО.
Отраженный от объекта сигнал с выхода низкочастотного фильтра 7 поступает на вход 1-го АЦП 6, в котором его амплитуда в пике отклика согласованного приемника переводится в цифровую форму. Оцифрованная амплитуда каждого отраженного от ВО сигнала поступает с выхода 1-го АЦП 6 на вход БВКА 5, второй вход БХД 10 и первый вход БВСЭПР 13.
0
оц
оц
оц1
оц2
оц3
оц
оц
мин
мин
В блоке 5 проводится расчет коэффициентов автокорреляции (КАК) для элементов ОХ объекта. Установлено [3, 5, 8], что интервалам с максимальной угловой скоростью изменения ракурса ВО соответствуют участки с наибольшей изрезанностью ОХ, т.е. с минимальной шириной лепестков сглаженной планерной ОХ и с максимальным числом лепестков на фиксированном по протяженности участке планерной ОХ. Наиболее гладким участкам планерной ОХ соответствуют интервалы времени, на которых угловая скорость изменения ракурса ЛА минимальна. Наиболее изрезанным участкам планерной ОХ соответствуют интервалы времени, на которых угловая скорость изменения ракурса ЛА максимальна. Для автоматизированного выделения интервала с максимальной степенью изрезанности планерной ОХ предлагается использовать корреляционный анализ. Измерение интервала корреляции τ является затруднительным, в связи с чем предлагается оценивать уровень коррелированности по величине оценочного КАК частной выборки элементов ОХ для некоторого оценочного интервала τ. На фиг.2 показаны три автокорреляционные функции, которые соответствуют различному уровню изрезанности планерной ОХ в пределах частных выборок (ЧВ) одинакового размера. Наименьший интервал корреляции Тмин соответствует наибольшей изрезанности ОХ, т.е. наибольшей угловой скорости поворота ВО. Выбрав некоторую оценочную величину τ времени корреляции, можно для различных корреляционных функций получить различные оценочные КАК: ρ(τ), ρ(τ) и ρ(τ). Выбор величины τ (фиг.2) следует производить в соответствии с условием τ<τ, где τ - интервал корреляции отражений от ВО максимального размера с наибольшей угловой скоростью , поворота планера ЛА относительно радиолокационной станции.
Для измерения оценочного КАК может использоваться либо корреляционная функция двух сдвинутых между собой ЧВ, составленных из элементов амплитудной планерной ОХ, либо нормированная автокорреляционная функция частной выборки, также составленной из взятых подряд I элементов планерной ОХ объекта. Последовательность коэффициентов автокорреляции ЧВ при их сдвигах в пределах генеральной совокупности дискретных отсчетов, поступающих с выхода 1-го АЦП 6, называется корреляционной характеристикой (КХ) амплитудной планерной ОХ или корреляционной характеристикой объекта.
оц
оц
и
и
Если времени τ соответствует q точек массива (τ=qТ, где Т - период повторения импульсов радиолокационной станции, определяющий период дискретизации данных в ОХ), выражающего амплитудную планерную ОХ, то оценочный КАК R(q) для частной выборки из I дискретных отсчетов рассчитывается по формуле
x
где x(i) - величина i-го элемента амплитудной планерной ОХ в пределах ЧВ; m - математическое ожидание амплитуды принимаемого сигнала в пределах амплитудной планерной ОХ (определяется как среднее арифметическое всех значений планерной ОХ). Нормированное значение КАК ρ(q) выражается формулой
ρ(q)=R(q)/R(0).
Тогда обобщенная нормированная КХ амплитудной планерной ОХ объекта из S принятых сигналов может быть сформирована с помощью выражения
где U - знак объединения в массив или вектор данных.
мин
и
мин
мин
⊥
мин
и
Для получения правдоподобных значений оценочных КАК период (параметр сдвига q) дискретизации целесообразно выбирать так, чтобы интервал τ включал не менее 5 отсчетов амплитудной планерной ОХ. Значит, период повторения импульсов в радиолокаторе, выступающий при формировании ОХ и КХ в качестве интервала дискретизации, следует выбирать из условия Т<τ/5. Оценка минимально возможного интервала корреляции τ для статистической модели ЛА с нормальным распределением рассеивающих центров (РЦ) по ее поверхности при , поперечном размере ЛА L=40 ми длине волны λ=3 см дает τ=5 мс. Значит, период повторения импульсов Т должен быть не больше 1 мс, что вполне соответствует техническим характеристикам современных радиолокационных станций обнаружения и сопровождения объекта.
Значения амплитуд принятых (отраженных ВО) импульсов поступают с выхода 1-го АЦП 6 на вход БВКА 5. В блоке 5 из поступающих амплитуд создается массив данных, полученных от ВО в течение 5 секунд. Этот массив представляет собой генеральную совокупность исходных данных. В пределах этой совокупности выделяются ЧВ и проводится расчет КАК описанным выше способом. Из рассчитанных КАК составляется массив данных M1 (этот массив в цифровом виде представляет КХ объекта), который поступает с выхода БВКА 5 на вход БСНЭ 9.
В блоке 9 проводится сглаживание полученной КХ, представленной элементами массива M1. Истинная КХ, как правило, имеет сильную изрезанность, что затрудняет ее использование для автоматического определения интервала с максимальной угловой скоростью поворота ВО. Сглаживание истинной КХ проводится в БСНЭ 9 известными алгоритмическими методами [9]. В результате сглаживания формируется массив сглаженных данных М2. Сглаженная КХ позволяет правильно выбрать момент максимизации угловой скорости поворота планера  [3, 8].
Второе назначение блока 9 - нахождение экстремумов в сглаженной КХ. На практике гармонический характер изменения угловой скорости , при ТН не наблюдается. При этом экстремумы в сглаженной КХ имеют место всегда. Вот почему сформированная в блоке 9 сглаженная КХ может быть использована для определения момента максимизации угловой скорости поворота планера ВО. В этих целях новый массив М2 данных, выражающий сглаженную КХ, подвергается в блоке 9 анализу, результатом которого является нахождение минимального элемента. Кроме того, определяются номера элементов, соответствующих левому и правому смежным максимумам КХ. Номера этих элементов поступают с выхода БСНЭ 9 на первый вход БХД 10. На второй вход БХД 10 с выхода 1-го АЦП 6 поступают и запоминаются в массиве М3 амплитуды принятых сигналов, то есть в массиве М3 сохраняется планерная амплитудная ОХ объекта.
Поскольку номера КАК жестко связаны с номерами элементов ОХ, то по номеру минимального КАК в массиве М3 определяется номер принятого сигнала в момент максимизации угловой скорости поворота ВО. Номера смежных максимумов необходимы для того, чтобы в обработку при формировании признака идентификации не попали сигналы, соответствующие замиранию ВО относительно радиолокационной станции.
Если обозначить номер сигнала, соответствующий левому смежному максимуму КАК через N1, номер сигнала минимизации КАК - через N2, а номер сигнала, соответствующий правому смежному максимуму КАК - через N3, то для формирования признака идентификации необходимо из массива М3 выделить рабочий массив М4, элементы которого являются подмножеством множества элементов массива М3. Номер первого элемента массива М4 должен соответствовать номеру массива М3, вычисляемому по формуле Round[|N2-N1|/2], где Round[*] - операция определения ближайшего целого числа. Номер последнего элемента массива М4 определяется по формуле Round[|N3-N2|/2]. Остальные элементы массива М3 с номерами, заключенными между числом Round [|N2-N1|/2] и числом Round[|N3-N2|/2], переносятся в массив М4 с соблюдением нумерации. То есть элемент массива М4 с номером (Round[|N2-N1|/2]+) приобретает в массиве М4 номер 2, элемент М4 с номером (Round[|N2-N1|/2]+2) приобретает в массиве М4 номер 3 и так далее.
Данные сформированного массива М4 с выхода БХД 10 поступают на вход БВПИ 11. В данном блоке сначала вычисляются квадраты амплитуд сигналов, записанных в массив М4. Затем вычисляется величина признака идентификации Q по формуле
где  - квадрат амплитуды отраженного воздушным объектом сигнала с номером n из массива М4; N - количество элементов в массиве М4.
С выхода приемника 8 отраженные сигналы на промежуточной частоте поступают также на вход АД 16, предназначенного для выделения огибающей. В результате сигнал промежуточной частоты преобразуется в видеосигнал, необходимый для функционирования СИД 15. Блок 15, имеющий на входе выходные сигналы АД 16, предлагается построить по классической схеме [10, с.323, рис.7.23]. Система измерения дальности 15 должна состоять из регулируемой цепи задержки (РЦЗ), генератора двух следящих полустробов, временного различителя и управляющего устройства. Система должна представлять собой замкнутую систему автоматического регулирования. Сигнал с выхода АД 16 будет поступать на 1-й вход временного различителя, 2-й и 3-й входы которого связаны с соответствующими выходами генератора двух следящих полустробов, вход которого связан с выходом регулируемой цепи задержки, 1-й вход которой связан с выходом управляющего устройства, вход которого связан с выходом временного различителя. При таком построении системы измерения дальности РЦЗ должна запускаться сигналами синхронизации, которые на фиг.1 не показаны, но имеются в любой радиолокационной станции. Регулируемая цепь задержки по сигналам синхронизации вырабатывает импульсы задержки. Длительность этих импульсов пропорциональна управляющему напряжению дальности, приходящему с выхода управляющего устройства. Задний срез импульса задержки дифференцируется и сформированный при этом сигнал запускает генератор двух следящих полу стробов. Полученные в нем полу стробы поступают на временной различитель, состоящий из двух каскадов совпадения и схемы сравнения. Полустробы поочередно открывают каскады совпадения, вследствие чего часть отраженного сигнала с выхода АД 16 проходит через 1-й, а часть - через 2-й каскады совпадений. На выходе временного различителя стоит схема сравнения, вырабатывающая напряжение сигнала ошибки, пропорциональное отклонению отраженного сигнала от стыка полустробов. Полярность сигнала ошибки определяется направлением отклонения.
При движении ВО положение отраженного им сигнала на выходе АД 16 будет изменяться, вызывая рассогласование между отраженным импульсом от объекта и стыком полустробов. Это приводит к изменению сигнала ошибки, который после преобразования и усиления в управляющем устройстве изменяет напряжение на его выходе (это и есть сигнал, пропорциональный дальности до ВО), которое заставляет регулируемую цепь задержки сместить полустробы в положение, обеспечивающее равенство нулю сигнала ошибки. Выходом СИД 15 является выход управляющего устройства.
С выхода СИД 15 сигнал, пропорциональный дальности до объекта, поступает на вход 2-го АЦП 14, который переводит аналоговый сигнал дальности в цифровую форму и подает его для дальнейшего использования на второй вход БВСЭПР 13.
изл
пр
Под ЭПР понимается площадь некоторой фиктивной поверхности, являющейся идеальным изотропным однородным отражателем, которая, будучи помещенной в точку расположения ВО нормально по отношению к направлению облучения, создает в точке измерения такую же плотность потока мощности, что и реальный объект. В радиолокационных устройствах значения ЭПР объектов оцениваются на основе величин мощности излученного Р и мощности принятого Р сигнала, а также дальности R до объекта [6, 10] по формуле
a
отр
σ
σ
где S - эффективная площадь антенны радиолокационной станции; G - коэффициент направленного действия антенны. Мощность излучаемого сигнала является известной. Мощность принятого сигнала пропорциональна квадрату амплитуды U отраженного объектом сигнала с учетом коэффициента пропорциональности К, учитывающего особенности приемной системы радиолокационной станции. Величина К устанавливается опытным (экспериментальным) путем на этапе испытаний радиолокатора с помощью эталонных отражателей, т.е. отражателей с известной эталонированной эффективной отражающей площадью. Тогда величина ЭПР реального сопровождаемого ВО может быть рассчитана по формуле
ср
s
s
ср
Для реализации вычисления ЭПР по приведенной формуле величины амплитуд оцифрованных отраженных сигналов поступают на 1-й вход БВСЭПР 13 с выхода 1-го АЦП 6. Значение дальности до ВО поступает на 2-й вход блока 13 с выхода 2-го АЦП 14. В блоке 13 проводится расчет среднего значения ЭПР объекта σ. Для этого поступающие с выхода первого АЦП 6 амплитуды s-x сигналов U записываются в блоке 13 в массив, аналогичный массиву М3. С учетом амплитуды каждого s-го сигнала U рассчитывается мгновенное значение ЭПР ВО по формуле  После этого рассчитывается среднее значение ЭПР σ по формуле
где S - общее число амплитуд отраженных сигналов, участвующих в расчете средней ЭПР.
2
2
2
2
2
2
Для вычисления средней ЭПР может быть использован и другой подход. Блок 13 в этом случае должен быть заранее подготовлен к расчету среднего значения ЭПР. Для этого на этапе испытаний радиолокатора методом натурного эксперимента формируются градуировочные характеристики. Число характеристик определяется числом элементов разрешения δR по наклонной дальности R. Это обусловлено тем, что интенсивность отражения от ВО со стабильной ЭПР нелинейно зависит от дальности. Градуировочные характеристики получают с помощью эталонных уголковых или шарообразных отражателей, ЭПР которых известна и табулирована. Для упрощения построения таких характеристик целесообразно использовать эталонные отражатели с изменением ЭПР по декадам, т.е. с ЭПР, равной 0,001 м, 0,01 м, 0,1 м, 1 м, 10 м и 100 м. Такие эталонные отражатели поочередно (на этапе подготовки градуировочных характеристик) располагают на изменяющейся дальности, и для каждого значения дальности фиксируют уровень амплитуды отраженного сигнала при известной ЭПР. Затем соединяют точки характеристик, полученных для определенного значения дальности, и объединяют их в семействе дальностных характеристик.
Наличие предлагаемых градуировочных характеристик в БРСЭПР 13 позволяет (по информации об амплитуде принятого сигнала с учетом реальной наклонной дальности) определять мгновенное значение ЭПР ВО, соответствующее текущим условиям локации, т.е. текущей дальности. По значению текущей наклонной дальности с выхода 2-го АЦП 14 можно определить рабочую градуировочную характеристику. В ней находят точку, соответствующую амплитуде принятого сигнала, после чего по другой оси определяют величину соответствующей ЭПР объекта.
s
Блок 13 накапливает S значений ЭПР, полученных в S периодах зондирования. Известно, что мгновенное значение ЭПР не обладает информативностью, так как оно зависит от мгновенного взаимного расположения рассеивателей на поверхности объекта. Поэтому в теории распознавания пользуются только средним значением ЭПР. Усреднение проводится по времени, т.е. по номерам принятых сигналов. В блоке 13 S полученных (из градуировочных характеристик) мгновенных значений ЭПР ВО усредняются с помощью выражения (4), где σ - мгновенное значение ЭПР, полученное по амплитуде s-го отраженного сигнала.
Для входа в градуировочные характеристики используются сигналы с выходов 1 -го и 2-го АЦП 6 и 14. С выхода 2-го АЦП 14 снимается сигнал, пропорциональный наклонной дальности ВО, а с выхода 1-го АЦП 6 - сигнал, пропорциональный амплитуде отражения от ВО. Предполагается, что в составе приемника 8 отсутствует схема автоматической регулировки усиления (АРУ). Если же ее применение необходимо, то сигнал, пропорциональный амплитуде (интенсивности) отражения, можно снимать с точки, в которой действует сигнал управления АРУ [10]. Тогда для формирования сигнала, пропорционального амплитуде отражения, дополнительно требуется инвертор. В предлагаемом устройстве динамический диапазон измерения амплитуды должен быть очень широк, в связи с чем схему АРУ в приемнике 8 желательно не применять.
ср
ср
ср
2
Поступившая на 2-й вход БИ 12 с выхода блока 13 величина средней ЭПР сравнивается в БИ 12 с набором пороговых значений, в результате чего грубо определяется класс ВО. Например, если σ<0,2 м, то ВО относят к малоразмерным, если 1<σ<5, то ВО считают среднеразмерным, а если σ>5 м, то принимают решение об отнесении ВО к крупноразмерным.
ср
ср
Структурно БИ 12 включает запоминающее устройство (ЗУ) 17, 1-й блок сравнения (БС) 18, 2-й БС 20, блок хранения порогов классификации (БХПК) 19, блок хранения порогов идентификации (БХПИ) 21 и табло вывода результатов (ТВР) 22 (фиг.3). Первый и второй входы БИ 12 являются соответственно первым и вторым входами ЗУ 17. Значение признака σ с выхода блока 13 поступает на 2-й вход ЗУ 17, которое подает входной сигнал Стер со своего 1-го выхода на 1-й вход первого БС 18 в течение интервала времени, необходимого для сравнения цифрового сигнала о величине σ с набором порогов классификации, поступающих на 2-й вход 1-го БС 18 с выхода БХПК 19. При превышении первым выходным сигналом ЗУ 17 очередного порога (пороги подаются в порядке убывания) на выход 1-го БС 18 проходит сигнал, пропорциональный уровню порога. Этот сигнал обнуляет выход БХПК 19, т.е. отключает БХПК 19 от 2-го входа 1-го БС 18. Кроме того, этот сигнал поступает на 1-й вход ТВР 22, в котором в соответствии с уровнем входного сигнала загорается и встает на самоблокировку индикатор (светодиод, лампа) установленного по признаку средней ЭПР класса ВО.
Выходной сигнал 1-го БС 18 поступает на 1-й вход БХПИ 21, в котором в зависимости от величины входного сигнала выбирается группа порогов идентификации объектов, соответствующая установленному в первом БС 18 классу. Эти пороги идентификации поступают на 2-й вход 2-го БС 20 в порядке убывания по величине. На 1-й вход блока 20 с 2-го выхода ЗУ 17 поступает признак идентификации Q, рассчитанный в блоке 11. Блок 17 подает запомненное значение признака идентификации Q в течение длительного интервала времени, который обеспечивает сравнение признака с полным набором пороговых значений. Блок 20 работает аналогично блоку 18. Выходной сигнал 2-го БС 20 поступает на 2-й вход БХПИ 21 для прекращения подачи пороговых значений, а также на 2-й вход ТВР 22, в котором в соответствии с уровнем входного сигнала загорается и встает на самоблокировку индикатор (светодиод, лампа) установленного по признаку Q типа ВО.
Признак идентификации Q, используемый в предлагаемом устройстве, является безразмерной величиной, не зависящей от дальности до объекта и формируемой при активном изменении ракурса ЛА. К тому же, выбор типа объекта производится не среди всего возможного перечня ВО, а только в пределах заранее установленного по средней ЭПР класса. Это позволяет обеспечить хорошее качество идентификации воздушных объектов, сопровождаемых радиолокационной станцией в широком диапазоне дальностей.
Движущийся в турбулентной атмосфере ВО, независимо от величины своего курсового угла постоянно меняет свое угловое положение относительно радиолокатора вследствие рысканий планера. Угловая скорость поворота планера за счет ТН  постоянно меняется и даже изменяет направление. Она аддитивно складывается с угловой скоростью поворота ЛА, связанной с перемещением его центра масс по прямолинейной траектории. Информация о мгновенной совокупной угловой скорости поворота ВО отсутствует, в результате чего признак идентификации может быть сформирован в момент, когда изменения ракурса не происходит. В этом случае признак идентификации Q обнуляется и становится одинаковым для любого из ВО. А в другие моменты времени величина признака Q существенным образом зависит от величины совокупной угловой скорости поворота планера ЛА. Отсутствие учета этой информации ведет к нарушению логики формирования признака и в конечном итоге - к ошибке идентификации. Применение корреляционного анализа позволяет формировать признак идентификации Q строго на интервале с максимальной угловой скоростью вращения планера (корпуса) ЛА, т.е. заменять статистический подход в формировании признака детерминированным, имеющим более высокие информационные возможности.
ср
Сущность предложенного технического решения состоит в том, что идентификация ВО проводится по двум признакам различной физической природы. Использование одного признака Q в [3] ведет к большим ошибкам перепутывания типов ВО, поскольку существует большое число объектов различной формы и размеров. В предлагаемом устройстве на первом этапе проводится грубая классификация ВО по размерам на основе средней ЭПР. Величина средней ЭПР объекта всегда зависела от его размеров, т.е. от площади препятствия на пути распространения радиоволн [10]. Средняя ЭПР σ как признак классификации (распознавания) широко и активно применяется в радиолокационных устройствах, так как известна уже длительное время [6]. Использование средней ЭПР на первом этапе принятия решения позволяет существенно сократить общее число объектов, подлежащих идентификации (определение типа). При меньшем числе идентифицируемых ВО упрощается процедура правильной расстановки порогов принятия решения, что ведет к росту достоверности идентификации. Число порогов сокращается, и мера неоднозначности (ошибочности) решений снижается.
Блок вычисления коэффициентов автокорреляции 5, блок сглаживания и нахождения экстремумов 9, блок хранения данных 10, блок вычисления признака идентификации 11 и все структурные единицы БИ 12 представляют собой электронные вычислительные машины или микропроцессоры, широко известные и активно используемые в современной радиолокационной технике [11, 12].
Технический эффект полезной модели состоит в повышении вероятности (эффективности) правильной идентификации ВО за счет предварительного разделения объектов на классы по величине измеренной ЭПР и за счет последующего применения признака идентификации, выражающего степень изменения уровня отраженного сигнала при изменении ракурса локации ВО. При идентификации используется интервал с максимальной угловой скоростью изменения ракурса локации объекта. Это обеспечивает высокую информативность используемого признака идентификации Q, который при отсутствии поворота ВО вырождается, т.е. становится равным нулю. Одинаковые условия выделения признака идентификации Q для всех ВО позволяют более точно установить величины порогов, используемых в БИ 12. Эффективность устройства не зависит от ракурса полета ВО с ТН в турбулентной атмосфере.
Таким образом, дополнение схемы устройства блоком вычисления средней ЭПР, амплитудным детектором, системой измерения дальности и вторым АЦП обеспечивает достижение сформулированной задачи полезной модели и целесообразность использования заявляемого технического решения в современных и перспективных радиолокаторах.
Источники информации
6
1. Патент РФ №2079857. МПК G01S 13/02. Радиолокационное устройство распознавания воздушных целей. Митрофанов Д.Г., Ермоленко В.П., Максаков И.М., Аникина Е.А. Заявка №95104681. Приоритет 31.05.95. Опубл. 20.05.97. Бюлл. 14 (аналог).
7
2. Патент на полезную модель №79186. МПК G01S 13/02. Радиолокационное устройство распознавания воздушных целей, инвариантное к влиянию турбовинтового эффекта. Митрофанов Д.Г., Прохоркин А.Г., Майоров Д.А. Заявка на полезную модель №2008130938. Приоритет 29.07.2008. Опубл. 20.12.2008. Бюлл. №35 (аналог).
3. Патент на полезную модель №90221. Радиолокационное устройство идентификации воздушного объекта с адаптивным выбором момента максимизации угловой скорости изменения его ракурса при траекторных нестабильностях полета в атмосфере. Митрофанов Д.Г. Заявка №2009134141. Приоритет 11.09.2009. Опубл. 27.12.2009. Бюлл. 36 (прототип).
4. Митрофанов Д.Г. Формирование радиолокационных изображений при негативном влиянии турбовинтовой модуляции. М.: Измерительная техника, 2005. №7. с.60-64.
5. Митрофанов Д.Г., Прохоркин А.Г., Нефедов С.И. Измерение поперечных размеров летательных аппаратов по частотной протяженности доплеровского портрета. М.: Радиотехника, 2008. №1. с.84-90.
6. Радиоэлектронные системы. Справочник. Основы построения и теория / Под ред. Я.Д.Ширмана. - М.: Радиотехника, 2007. 510 с.
7. Митрофанов Д.Г., Ермоленко В.П. Распознавание воздушных целей за счет измерения их пространственной протяженности. М.: Зарубежная радиоэлектроника, 1996. №1. с.53-56.
7
8. Патент РФ №2360267. МПК G01S 13/02. Способ выбора интервала инверсного синтезирования с рассчитываемой угловой скоростью поворота цели относительно радиолокатора. Митрофанов Д.Г., Прохоркин А.Г., Майоров Д.А., Сафонов А.В., Бортовик В.В. Приоритет 6.11.2007. Опубл. 27.06.2009. Бюлл. 18.
9. Кирьянов Д.В. Mathcad 12. СПб.: БХВ - Петербург, 2005. 576 с.
10. Теоретические основы радиолокации / Под ред. В.Е.Дулевича. М.: Сов. радио, 1964. 732 с.(рис.7.23, с.323).
11. Фуллер С.X., Устерхут Дж. К. и др. Мультимикропроцессорные системы. Обзор и пример практической реализации // ТИИЭР, 1978. Т.66. №2. с.135-151.
12. Цифровые аналоговые интегральные микросхемы. Справочник / Под ред. С.В.Якубовского. М.: Радио и связь, 1989. 496 с.