СПОСОБ РАДИОЛОКАЦИОННОГО РАСПОЗНАВАНИЯ КОРАБЛЕЙ
METHOD OF RADAR SHIP IDENTIFICATION

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для распознавания кораблей путем обработки РЛ изображений (РЛИ), получаемых БРЛС с синтезированием апертуры (СА) антенны, на основе выделения и анализа РЛ тени (РЛТ), образованной кораблем на взволнованной морской поверхности.
В настоящее время известны способы распознавания протяженных объектов различных типов (кораблей, наземных объектов искусственного и естественного происхождения), основанные на обработке РЛИ, получаемых в режиме прямого СА [1, 2, 3] и в режиме инверсного СА [4]. В этих способах изображение объекта формируется за счет РЛ сигналов, отраженных непосредственно от его элементов, а для его распознавания используются различные способы обработки изображений, основанные на пространственной фильтрации с применением эталонных описаний объектов.
В способах, использующих режим прямого СА, изображение объектов получают в координатах дальность-азимут, то есть формируется «вид сверху» объекта. В режиме инверсного СА, работа которого основана на использовании качки корабля, при передне-боковом его облучении изображение получают как «вид сбоку», то есть боковой силуэт. Силуэт корабля содержит в себе больше информационных признаков, необходимых для распознавания класса корабля, чем его представление в плане, формируемое в режиме прямого СА. Но в режиме инверсного СА существуют ограничения (угловое положение корабля относительно БРЛС, погодные условия), влияющие на его функциональные возможности по распознаванию. В режимах с СА для формирования РЛИ используется электромагнитная энергия, отраженная непосредственно от объекта в направлении на РЛС, поэтому уменьшается вероятность обнаружения и распознавания протяженных объектов, в конструкции которых применяются технологии снижения эффективной отражающей поверхности рассеяния («стеле»).
Технический результат, который может быть получен при использовании настоящего способа, заключается в повышении вероятности распознавания надводных объектов (кораблей), а также в возможности производить распознавание кораблей, выполненных по технологии «стеле».
Указанный результат достигается тем, что в качестве основного информационного признака, применяемого для распознавания объекта, используется форма РЛТ, образуемой объектом на взволнованной морской поверхности при его облучении БРЛС с СА, установленной на борту летательного или космического аппарата. Форма РЛТ определяется габаритами и силуэтом корабля, а также его угловым положением относительно БРЛС. Форма РЛТ содержит в себе внешние конструктивные признаки корабля, что повышает вероятность его правильного распознавания.
Распознавание надводных кораблей осуществляется следующим образом. После получения целеуказания на какой-либо морской объект, который необходимо распознать, БРЛС в режиме СА формирует РЛИ участка морской поверхности с указанным объектом. При этом необходимые параметры РЛИ рассчитываются на основании данных о положении объекта относительно БРЛС - наклонной дальности (R) и азимута, а также характеристик кораблей, хранящихся в базе данных (в списке распознаваемых кораблей).
Информация о положении объекта относительно БРЛС может быть предварительно получена с помощью самой БРЛС, работающей в каком-либо РЛ режиме обзора морской поверхности, или передана по линии связи от других источников информации, расположенных на других носителях.
a
Получаемое РЛИ имеет вид матрицы S(m,n) размером М×N, содержащей распределение уровней РЛ сигналов по n-ым каналам дальности БРЛС (n=0, 1, 2, …, N-1) и m-ым азимутальным каналам (m=0, 1, 2, …, М-1). Линейное разрешение в РЛИ по дальности - dr и по азимуту - d может быть различным и иметь величину приблизительно в несколько метров.
m
Значение N выбираются так, чтобы длина участка морской поверхности, содержащегося в РЛИ, по дальности была не менее, чем в 4 раза больше длины L самой протяженной РЛТ, которая рассчитывается по формуле:
m
m
0
m
L= HR/(H-Н),
m
где Н - самая большая высота для кораблей из списка распознаваемых;
0
Н - высота носителя БРЛС над морской поверхностью;
R - дальность до корабля.
m
N≥4L/dr.
m
Значение М выбираются так, чтобы протяженность участка морской поверхности, содержащегося в РЛИ, по азимуту была не менее чем в 3 раза больше значения X, которое равно длине самого протяженного корабля из списка распознаваемых:
m
a
М≥3X/d.
m
m
Каждому списку распознаваемых кораблей соответствуют свои собственные значения Н и Х, которые хранятся в базе данных. В список может входить любое количество кораблей, а также других морских объектов.
0
Дальность R до начала рассматриваемого участка морской поверхности выбирают так, чтобы сам объект находился в центре РЛИ.
На фиг. 1 для примера показано яркостное РЛИ, которое содержит отметки сигналов, отраженных от корабля, а также его РЛТ (РЛИ получено с помощью математического моделирования). На представленном изображении уровень черного соответствует минимальному сигналу, а уровень белого - максимальному сигналу, содержащемуся в РЛИ.
0
m
Первый этап обработки РЛИ заключается в исключении из него РЛ отметок, соответствующих сигналам, отраженным непосредственно от корабля. Для этого сначала в полученном РЛИ определяют средний уровень (S) и максимальный уровень (S) РЛ сигналов, отраженных непосредственно от морской поверхности. Для этого используется ближний участок РЛИ, заведомо не содержащий РЛТ, а также РЛ сигналов, отраженных от корабля (см. фиг. 1):
,
s
m
где N=N/2-X/dr.
m
0
t
Затем для удаления из РЛИ собственного изображения корабля производится замена всех элементов S(m,n), превышающих величину S, на значения, равные S. В результате получается новое РЛИ - матрица S(m,n), вид которой показан на фиг. 2
t
qab
Далее проводится корреляционная обработка полученной матрицы S(m,n) с использованием предварительно сформированных и хранящихся в базе данных эталонных матриц T(k,p), заключающих в себе формы РЛТ, образованных распознаваемыми кораблями для различных значений углов, под которыми они наблюдаются из точки расположения БРЛС.
а
a
Индекс q эталонных матриц (ЭМ) означает номер распознаваемого корабля (класс корабля) в списке распознаваемых,  - курсовой угол корабля, заданный в числе угловых дискретов, величина которых Δ задается с точностью нескольких градусов, а b - угол наблюдения корабля в вертикальной плоскости, измеряемый в числе угловых дискретов, величина которых Δb задается в долях градуса.
Номера k соответствуют каналам дальности (k=0, 1, 2, …, K-1), а p - азимутальным каналам БРЛС (p=0, 1, 2, …, Р-1). Значения дискретов по дальности и азимуту для всех ЭМ задаются такими же, как в матрице S(m,n), а величины K и Р определяются по формулам:
, .
ЭМ подготавливаются заранее и хранятся в базе данных. При формировании ЭМ ее элементы, расположенные внутри РЛТ заполняются единицами, а элементы вне РЛТ заполняются нулями.
На фиг. 3 представлена ЭМ, соответствующая РЛ сцене, для которой было получено РЛИ, показанное на фиг. 1. Формировать ЭМ можно с помощью математического моделирования с использованием 3-D моделей кораблей, также можно применять какие-либо другие способы.
Корреляционные матрицы (КМ) рассчитываются по формуле:
,
где i=0, 1, 2, …M-K-1; j=0, 1, 2, …N-P-1;
- средний уровень шумов приемного тракта РЛС.
a
Общее количество КМ, получаемых для одного РЛИ равно произведению q. Для вычислений КМ из базы данных выбираются ЭМ с индексом b, который определяется на основании известных значений дальности до объекта и собственной высоты носителя БРЛС по формуле:
0
b=arcsin(H/R)/Δb.
Величина среднего уровня шумов приемного тракта БРЛС, если она известна и постоянна, хранится в базе данных. Если эта величина меняется во времени, то она измеряется каким-либо способом перед началом формирования РЛИ.
На фиг. 4 показана КМ, полученная в результате обработки РЛИ, представленного на фиг. 1, с использованием ЭМ, показанной на фиг. 3, в виде яркостного изображения. На фиг. 5 показана центральная часть данной КМ в форме трехмерного графика. Для лучшего восприятия график представлен в перевернутом виде.
Полученный набор КМ подвергается дальнейшей обработке с целью выбора из списка распознаваемых кораблей, такого у которого РЛТ наиболее близка по своей форме РЛТ, содержащейся в полученном РЛИ. Для этого используется алгоритм, состоящий из следующих операций.
qb
Сначала в полученных КМ рассчитывают значения среднего уровня сигнала A:
.
q
a
q
a
Для каждой КМ определяется сигнал, имеющий минимальное значение B, а затем рассчитывается пороговый уровень сигнала C:
q
a
q
a
q
a
Затем для каждой КМ подсчитывается количество ее элементов D, которые имеют уровни сигналов менее порогового значения C, и рассчитывается коэффициент H:
q
a
q
a
а
а
Из всех полученных коэффициентов H выбирается коэффициент, имеющий наибольшее значение, и делается вывод о том, что распознан объект с индексом q, соответствующим выбранному коэффициенту H, который имеет курсовой угол, соответствующий выбранному коэффициенту и равный произведению  Δ.
Принцип работы описанного алгоритма распознавания поясняется с помощью графиков, приведенных на фиг. 6 и фиг. 7, для упрощенного случая - двумерного представления изображений РЛТ. На фиг. 6 показаны результаты обработки двух изображений РЛТ (РЛТ 1 и РЛТ 2), которые различаются по протяженности в четыре раза, с использованием эталона, соответствующего РЛТ 2. Внизу на фиг. 6 изображены графики, полученные в результате корреляционной обработки РЛТ и эталона, а также соответствующие коэффициенты Н.
На фиг. 7 представлены результаты обработки данных изображений РЛТ с использованием эталона, соответствующего РЛТ 1. В обоих случаях при правильном выборе эталона коэффициент Н имеет значение, в четыре раза большее, чем при неверном выборе эталона.
Источники информации
1. Цивлин И.П. Автоматическое распознавание радиолокационных изображений в бортовой РЛС // Радиотехника. 2002. №9. Выпуск 65. «Радиоэлектронные комплексы», №2. С. 43-50.
2. Патент РФ 2423722. Способ распознавания надводных кораблей на взволнованной морской поверхности / Верба B.C., Неронский Л.Б., Осипов И.Г. и др.; Заявл. 07.04.2010. Опубл. 10.07.2011. Бюл. №19.
3. Ксендзук А.В., Евсеев И.А. Особенности обнаружения объектов в бистатических и многопозиционных РСА // Авиационно-космическая техника и технология. 2005. №2 (18). С. 62-68.
4. Menon М, Bourdreau Е., Kolodzy P. An Automatic Ship Classification System for ISAR Imagery // The Lincoln Laboratory Jornal, Vol. 6, Num. 2, 1993, p. 289-308.