МНОГОПРОФИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КЛАССИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ ПО СОВОКУПНОСТИ ПРИЗНАКОВ

Полезная модель относится к радиолокационной технике и может быть использована для различных по ведомственной принадлежности задач радиолокационной классификации объектов.
Известно устройство радиолокационной классификации воздушных объектов по совокупности признаков [1], состоящее из антенны, антенного переключателя, передатчика, приемника, N полосовых фильтров, N блоков выделения признаков, счетно-решающего прибора, блока хранения эталонов, индикатора, причем вход-выход антенны соединен со вход-выходом антенного переключателя, вход которого подключен к выходу передатчика, а выход - ко входу приемника, выход которого соединен с входами N полосовых фильтров, выход каждого из которых соединен со входом соответствующего из N блоков выделения признаков, выход каждого из которых соединен с соответствующим первым из N входов счетно-решающего прибора, вторые N входов которого соединены с соответствующими из N выходов блока хранения эталонов, а выход счетно-решающего прибора соединен с входом индикатора.
Данное устройство не обеспечивает высокой вероятности классификации воздушных объектов при большом количестве распознаваемых классов (типов). Увеличение количества распознаваемых классов (типов) требует проведения большого количества экспериментов для составления эталонов признаков и значительно увеличивает материальные затраты при их составлении. Все это сильно усложняет подготовку блока хранения эталонов к работе в составе устройства классификации.
Данное устройство ориентировано на классификацию вполне определенного набора объектов по совокупности N признаков. Оно не может без изменения схемы и принципов ее функционирования быть применено для классификации других объектов по измененной совокупности признаков. Структура этого устройства не предполагает исключения нужного числа признаков из процесса классификации в случае установления их низкой информативности или вредности для распознавания.
Известно также устройство нейросетевой классификации объектов по совокупности признаков [2]. Данное устройство содержит антенну, антенный переключатель, передатчик, приемник, N полосовых фильтров, N блоков выделения признаков, индикатор, нейросетевой классификатор и N аналого-цифровых преобразователей (АЦП). При этом вход-выход антенны соединен со вход-выходом антенного переключателя, вход которого подключен к выходу передатчика, а выход - к входу приемника, выход которого соединен одновременно с входом каждого из N полосовых фильтров, выход каждого из которых соединен с входом соответствующего из N блоков выделения признаков, выход каждого из которых соединен со входом соответствующего из N аналого-цифровых преобразователей, выход каждого n-го из которых соединен с соответствующим n-м входом нейросетевого классификатора, а каждый s-й из S входов индикатора подключен к соответствующему s-му из S выходов нейросетевого классификатора, где S соответствует числу распознаваемых классов целей.
Данное устройство также ориентировано на классификацию вполне определенного набора объектов по совокупности N признаков, но только с помощью нейронной сети (нейросетевого классификатора). Оно не может без изменения схемы и принципов ее функционирования быть применено для классификации других объектов по измененной совокупности признаков и с использованием иных правил принятия решения, т.е. не может использоваться для решения родственных задач другой ведомственной принадлежности (например, для классификации морских судов в портовой зоне). Структура этого устройства не предполагает исключения нужного числа признаков из процесса классификации в случае установления их низкой информативности или вредности для распознавания. При появлении в составе объектов ложного или имитирующего структура устройства не позволяет оперативно вывести какой-либо вредный признак классификации из рабочего словаря признаков.
Назначением полезной модели является обеспечение возможности решения с помощью предлагаемого устройства различных задач классификации с разными алфавитами классов и словарями признаков за счет автоматизации выбора нужного словаря признаков из расширенной совокупности, а также за счет возможности выбора метода классификации, наилучшим образом соответствующего частной задаче классификации. Это должно позволить использовать радиолокационную станцию (РЛС), содержащую предлагаемое устройство, для классификации объектов в интересах разных ведомств (министерство обороны, гражданский воздушный флот, пограничная служба, центр управления полетами космических аппаратов и т.п.) без аппаратурной доработки.
Для выполнения поставленной задачи известное устройство [2] предлагается дополнить блоком конкретизации словаря признаков (БКСП), блоком классификации (БК) и пультом управления классификацией, включающим блок выбора задачи классификации (БВЗК) и блок выбора метода классификации (БВМК). При этом выход каждого n-го из N АЦП предлагается соединить с соответствующим n-м первым входом блока конкретизации словаря признаков, каждый n-й выход которого предлагается соединить с соответствующим n-м первым входом блока классификации, второй вход которого следует подключить к выходу БВМК, а каждый s-й выход из S выходов, предлагается соединить с соответствующим s-м первым входом индикатора. Кроме того, первый выход БВЗК предлагается соединить со вторым входом БКСП, а второй выход - со вторым входом индикатора и третьим входом блока классификации.
Предложенное построение схемы делает устройство классификации универсальным и многопрофильным, т.е. способным работать и обеспечивать результатами классификации объектов различные ведомства. Для этого устройство заблаговременно подготавливается к решению разных задач, что выражается в использовании в каждой задаче своего словаря признаков и своего метода классификации или даже совокупности методов.
Новые элементы схемы представляют собой цифровые устройства, широко применяемые в современной технике, в том числе и в устройствах радиолокационной классификации [3]. Они могут быть выполнены в виде отдельных микропроцессоров или могут быть реализованы в виде программных продуктов (блоков, модулей) в цифровой вычислительной машине, входящей в состав РЛС. Они могут также составлять отдельный комплексный процессор, специализированный под решение задач классификации.
На чертеже представлена структурная схема предлагаемого многопрофильного устройства классификации объектов по совокупности признаков. Устройство включает антенну 1, антенный переключатель 2, передатчик 3, приемник 4, N полосовых фильтров 5, N блоков выделения признаков 6, БКСП 7, индикатор 8, N АЦП 9, БК 10, пульт управления классификацией 13, в состав которого входят БВЗК 11 и БВМК 12. При этом антенна 1 связана своим вход-выходом с вход-выходом антенного переключателя 2, вход которого соединен с выходом передатчика 3, а выход - со входом приемника 4, который своим выходом подключен одновременно ко входу каждого из N полосовых фильтров 5, выходы которых подключены ко входам соответствующих блоков выделения признаков 6, выходы которых подключены ко входам соответствующих аналого-цифровых преобразователей 9, выходы которых подключены к соответствующим из N первых входов БКСП 7, выходы которого подключены к соответствующим N первым входам БК 10, S выходов которого связаны с соответствующими S первыми входами индикатора 8, второй вход которого подключен к третьему входу БК 10 и ко второму выходу БВЗК 11, первый выход которого соединен со вторым входом блока конкретизации словаря признаков 7, а выход блока выбора метода классификации 12 подключен ко второму входу блока классификации 10.
Многопрофильное устройство классификации объектов по совокупности признаков работает следующим образом. Передатчик 3 формирует сверхвысокочастотные электромагнитные колебания в широком диапазоне частот, которые через антенный переключатель 2 поступают в антенну 1 и излучаются ею в направлении объекта, выбранного для классификации. Результирующий зондирующий сигнал представляет собой совокупность зондирующих сигналов, отличающихся периодом, модуляцией несущей частоты, видом поляризации, сложным (закодированным) законом повторения импульсов и т.п. При этом разнос по несущей частоте обеспечивает возможность их разделения при приеме, а совместно с законом повторения импульсов и видом поляризации - отсутствие вредного взаимодействия сигналов между собой, приводящего к их частичному искажению. Отраженные от объекта сигналы принимаются антенной 1 и через антенный переключатель 2 поступают в приемник 4, где усиливаются и переводятся в область промежуточной частоты, после чего подаются на входы N полосовых фильтров 5. Полосовые фильтры 5 настроены на различные полосы частот. Средняя частота и ширина полосы рабочих частот каждого полосового фильтра 5 определяется частотным диапазоном сигнала, из которого определенным образом выделяется n-й признак классификации. С выходов полосовых фильтров 5 сигналы поступают на входы соответствующих N блоков выделения признаков 6, в которых выделяются признаки классификации объектов. К числу возможных признаков классификации следует отнести, например, дальностный портрет объекта, амплитудно-частотную характеристику объекта в резонансной и релеевской областях, поперечный доплеровский портрет объекта, вибрационную характеристику объекта, спектральные гармоники турбинного и турбовинтового эффектов, скороподъемность объекта, радиальную скорость объекта, поляризационную матрицу рассеяния, обобщенный параметр рассеяния, сформированный на основе двухчастотного зондирования, частотную индикатрису объекта, амплитудно-частотную сигнатуру объекта, эффективную площадь рассеяния, радиальный или продольный размеры объектов, двумерное радиолокационное изображение объекта, курсовой параметр объекта, высота объекта, корреляционную характеристику объекта, параметры собственных излучений, параметры ковариационной матрицы отражений, ширину спектра отраженного сигнала, факт постановки преднамеренных помех и т.д. [4-14]. Сформированные в блоках выделения признаков 6 признаки поступают с их выходов на входы соответствующих N аналого-цифровых преобразователей 9, где происходит преобразование аналоговых сигналов в цифровой вид.
Далее сигналы поступают в блок конкретизации словаря признаков 7, в котором значение каждого признака умножается на весовой коэффициент, выражающий необходимость учета вклада каждого конкретного признака в результат классификации. Значения коэффициентов равны только нулю или единице. Значения коэффициентов учета признаков поступают в блок 7 через его второй вход с первого выхода БВЗК 11. Выходной сигнал в цифровом виде представляет собой последовательность из нулей и единиц (например, при десяти признаках сигнал может иметь вид 0100100001, что определяет учет при классификации только второго, пятого и десятого признаков).
Равенство нулю коэффициента не означает обнуления признака, так как даже нулевое значение признака является полезной информацией. Нулевой коэффициент препятствует прохождению сформированного признака на выход блока 7 и формирует на соответствующем выходе БКСП 7 сигнала запрета использования данного признака при классификации. Таким образом, кодовая последовательность с первого выхода блока 11 определяет совокупность признаков, используемую в определенной задаче классификации. Этим и определяется название блока 7.
Со второго выхода БВЗК 11 сигнал, соответствующий выбранной задаче классификации, поступает на второй вход индикатора 8. Этот сигнал переключает режим работы индикатора, обеспечивая индикацию тех объектов, которые входят в алфавит классов в рамках выбранной задачи классификации. В самом упрощенном варианте по сигналу из БВЗК 11 подключается соответствующая выбранной задаче совокупность светодиодов, каждый из которых указывает на принадлежность объекта какому-либо классу. Поскольку в каждой задаче объекты своеобразны, необходимо иметь в индикаторе 8 число панелей с индикацией классов, равное числу задач, способных быть решенными устройством классификации.
С выхода блока 7 значения признаков или сигналы запрета использования признака поступают на соответствующие входы БК 10. Блок классификации 10 предназначен для определения классов объектов с помощью выбранного метода или выбранной совокупности методов. Для применения при классификации нужного метода (правила принятия решения) на второй вход БК 10 поступает сигнал с выхода БВМК 12. Код этого цифрового сигнала определяет метод классификации, который выбирается из арсенала методов, предусмотренных конструкцией блока 10. Примерами методов служат методы обобщенного голосования или взвешенного голосования [11], нейросетевые процедуры [15], таксономические правила [16], байесовские процедуры [17], правило ближайшего соседа и др. Могут быть использованы сразу несколько методов и правил, а затем решения объединяются с использованием специальных критериев.
Блоки 11 и 12 входят в состав пульта управления классификацией 13, который представляет собой цифровое устройство с кнопками, с помощью которых человек-оператор имеет возможность определить тип задачи классификации и необходимый для ее осуществления метод.
Значения измеренных признаков поступают на первые входы БК 10. По их значениям принимается решение о принадлежности объекта определенному классу. Это решение в виде цифрового кода поступает на вход индикатора 8. Число выходов БК 10 равно максимальному числу классов в рамках существующих задач. Единичный сигнал формируется лишь на том выходе БК 10, номер которого соответствует номеру установленного класса. Остальные выходы при выдаче решения имеют нулевые значения.
К моменту прихода решения о номере установленного класса индикатор 8 по сигналу из БВЗК 11 заранее коммутирует со своими входами соответствующую панель светодиодов с названиями классифицируемых объектов. В результате по загоранию светодиода или по названию класса, выводимому на экран монитора, информация о решении доводится до потребителя.
Сущность нового технического решения, представляемого полезной моделью, заключается в следующем. Радиолокационные станции, как правило, ориентированы на решение вполне конкретной задачи классификации. Так наземные РЛС радиотехнических войск и войск противовоздушной обороны в перечне своих задач имеют классификацию самолетов, вертолетов, аэростатов, крылатых ракет, ложных целей, противорадиолокационных ракет, имитирующих помех, радиолокационных ловушек и др. Локаторы пограничных служб и постов должны определять классы объектов, пересекающих государственную границу по суше, а морские РЛС должны классифицировать надводные объекты. При этом основные признаки радиолокационной классификации в разных задачах совпадают. Следовательно, одну и ту же РЛС можно использовать для решения различных задач классификации.
Однако алфавиты классов в разных задачах также не совпадают. Для отнесения объекта к определенному классу необходимо иметь описания этих классов на языке используемых признаков. Для хранения этих описаний предлагается использовать базу данных или базу знаний, конструктивно входящую в состав блока 10 и представляющую собой цифровой программный продукт или программный модуль. Выбор необходимых описаний, позволяющих принимать решение в рамках определенной задачи, можно проводить по сигналу из БВЗК 11. Этот же сигнал может использоваться для подготовки индикатора 8 к индикации распознанного класса.
Перечень всех признаков классификации известен. Их число не превышает нескольких десятков. Все они могут быть выделены и оцифрованы с помощью блоков 5, 6 и 9. А с помощью сигналов из БВЗК 11 из всей совокупности извлекаемых признаков всегда можно выделить часть признаков, составляющих словарь для конкретной задачи. Таким образом, при правильной организации использования признаков в рамках конкретной задачи классификации, априорных описаний признаков и известных правил принятия решений (методов классификации) с помощью одной и той же РЛС можно выполнять большую совокупность разнообразных задач классификации. Это делает перспективную РЛС межведомственной, т.е. универсальной и многопрофильной, к чему и стремятся в настоящее время разработчики новых радиолокационных систем.
Для организации распознавания объектов в интересах различных ведомств необходимо составить таблицу пригодности признаков в зависимости от существующих задач. Она, как вариант, может выглядеть следующим образом (см. таблицу 1).
Таблица 1
Наименование признака
Наименование задачи классификации
Задача 1
Задача 2
Задача 3
…
Задача S-1
Задача S
Призмам 1
0
1
1
…
1
0
Признав 2
1
1
0
…
0
0
Призмам 3
0
0
1
…
0
1
…
…
…
…
…
…
…
Признак N
1
0
1
…
1
1
Заполнение таблицы значениями коэффициентов использования признаков целесообразно проводить на основе экспертного опроса специалистов соответствующей предметной области.
Приведем пример, демонстрирующий принцип реализации одной из задач в устройстве многопрофильной классификации. Остальные задачи организуются и решаются аналогичным образом.
Важной современной задачей классификации является задача определения классов гражданских морских судов в портовых акваториях. В рамках этой задачи приемлем следующий алфавит классов: пассажирские лайнеры; ледоколы; паромы; рыболовецкие суда; танкеры; сухогрузы; прогулочные катера; яхты; бригантины; баркасы; баржи.
Для классификации таких объектов может эффективно использоваться следующий словарь признаков: полная скорость; усредненная эффективная площадь рассеяния с учетом ракурса; ширина спектра отраженного сигнала; числовые характеристики дальностного портрета; траектория движения; радиальный размер; параметры собственных излучений; факт маневра; параметры ковариационной матрицы отражений; двумерный признак, объединяющий вектор скорости и азимут; фотоконтрастный образ; корреляционная характеристика отражений.
Аналогичные описания для других задач позволяют составить обобщенную таблицу пригодности признаков и реализовать многопрофильную классификацию с помощью устройства с предложенной структурной схемой.
Положительный эффект предлагаемого технического решения заключается в экономии ресурсов по разработке и созданию устройств радиолокационной классификации, используемых различными ведомствами в составе соответствующих ведомственных РЛС. Эффект также в том, что в случае появления новых нетрадиционных задач классификации предложенное устройство легко адаптировать для их выполнения путем дополнения таблицы пригодности признаков и составления априорных описаний распределений признаков. Составленными априорными описаниями следует пополнить базу данных БК 10 и выбрать метод классификации, после чего остается только предусмотреть в индикаторе 8 новое табло вывода информации о классе объекта. Эти операции не предполагают изменения структуры устройства классификации. В этом проявляется универсальность и новизна предложенного технического решения.
Источники информации
6
1. Свидетельство на полезную модель №6916. МПК G01S 13/02. Устройство распознавания целей по совокупности признаков. Митрофанов Д.Г. Заявка №97103907 от 14.03.1997. Опубл. 16.06.1998 (аналог).
2. Патент на полезную модель №82045. МПК7 G01S 13/90. Устройство нейросетевого распознавания целей по совокупности признаков. Перехожев В.А., Митрофанов Д.Г., Сафонов А.В., Васильченко О.В., Гаврилов А.Д. Заявка №2008147237 от 2.12.2008. Опубл. 10.04.2009. Бюл. №10 (прототип).
3. Патент на полезную модель №77980. МПК7 G01S 13/90. Радиолокационная станция с инверсным синтезированием апертуры и двухуровневым нейросстевым распознаванием целей. Митрофанов Д.Г., Сафонов А.В., Гаврилов А.Д., Бортовик В.В., Прохоркин А.Г. Заявка №2008126417 от 1.07.2008. Опубл. 10.11.2008. Бюл. №31.
4. Митрофанов Д.Г., Сафонов А.В. Применение вейвлет-анализа для сохранения информативности дальностных портретов воздушных целей при повышении уровня шумов // Электромагнитные волны и электронные системы, 2005. №9. Т.10. с.19-24.
5. Справочник по радиолокации / Под ред. М.И.Сколника. М., Сов. радио, 1976. Т.1.455 с.
6. Митрофанов Д.Г. Метод построения радиолокационных изображений аэродинамических летательных аппаратов // Полет, 2006. №11. с.52-60.
7. Митрофанов Д.Г. Комплексный адаптивный метод построения радиолокационных изображений в системах управления двойного назначения // Теория и системы управления. Известия РАН, 2006. №1. с 101-118.
8. Гладкий В.Ф. Прочность, вибрация и надежность конструкции летательного аппарата. М., Наука, 1975. 456 с.
6
9. Патент РФ №96100426. МПК G01S 13/90. Радиолокационное распознающее устройство. Митрофанов Д.Г., Максаков И.М., Печенев А.А. Заявка №2095824 от 10.11.97. Опубл. 9.01.96. Бюл.31.
10. Радиоэлектронные системы. Справочник. Основы построения и теория / Под ред. Я.Д. Ширмана. - М., Радиотехника, 2007. 510 с.
11. Селекция и распознавание на основе локационной информации / Под ред. А.Л.Горелика. - М., Радио и связь. 1990. 240 с.
6
12. Патент РФ №2114443. МПК G01S 13/02. Устройство распознавания воздушных целей двухчастотным способом. Митрофанов Д.Г., Жигунов П.А., Бондарев Л.А. Заявка №96117136. Приоритет 26.08.1996. Опубл. 26.08.1998. Бюл.11. с.418.
13. Трубицын Е.Г., Ермоленко В.П. Алгоритмы распознавания сложных воздушных целей // Зарубежная радиоэлектроника, 1992. №10. с.82-84.
14. Теоретические основы радиолокации / Под ред. Я.Д.Ширмана - М., Сов. радио, 1970. 560 с.
15. Галушкин А.И. // Нейрокомпьютеры: разработка и применение, 2000. №1. с.12-56.
16. Загоруйко Н.Г. Методы распознавания и их применение. - М., Сов. радио, 1972. 208 с.
17. Вопросы статистической теории распознавания / Под ред. Б.В.Варского. - М., Сов. радио, 1967. 400 с.