Способ устранения негативного влияния неравномерности частотной характеристики антенной системы
METHOD FOR ELIMINATION OF THE NEGATIVE IMPACT OF THE UNEVEN FREQUENCY RESPONSE OF THE ANTENNA SYSTEM

Изобретение относится к методам обработки радиолокационных сигналов с перестройкой несущей частоты или сверхширокополосных сигналов и может быть использовано для формирования признаков классификации воздушных объектов в виде радиолокационных портретов (РЛП).
При формировании РЛП с использованием сигналов с перестройкой частоты (СПЧ) пачка сигналов, принятых на разных частотах, проходит обработку в виде дискретного преобразования Фурье [1-4]. Другими словами, проводится перевод частотной характеристики объекта в его импульсную характеристику. Если коэффициент усиления антенны на разных частотах не будет одинаковым, то амплитуды составляющих в РЛП будут зависеть от значений частот, используемых в процедурах формирования РЛП. Это наглядно проявляется при построении дальностного РЛП методом математического моделирования. Так на фиг. 1 показаны две частотные характеристики (ЧХ) 4-точечного объекта. Характеристика 1 соответствует неизменному коэффициенту усиления (КУ) антенной системы при приеме пачки из 128 импульсов с перестройкой частоты в диапазоне 150 МГц. В характеристике 2 на фиг. 1 КУ антенной системы изменяется (растет) в пределах пачки СПЧ в 7 раз. В соответствии с этим в дальностных портретах этого 4-точечного объекта на фиг. 2 амплитуды составляющих от рассеивающих центров отличаются почти вдвое. Понятно, что амплитуда составляющей 3 соответствует варианту увеличения КУ антенной системы при изменении частоты, то есть частотной характеристике 2 на фиг. 1. Составляющая 4 на фиг. 2 соответствует неизменной по КУ частотной характеристике.
Придание частотной характеристике антенны равномерного вида (независимости от частоты используемого сигнала) является необходимым не только в режимах построения портретов или радиолокационных изображений (РЛИ). Это требование предъявляется ко всем сверхширокополосным антеннам в связи с необходимостью исключения (снижения) искажений в структуре принимаемых сигналов. Некоторые антенны радиолокационных станций (РЛС) изначально конструируются с равномерной ЧХ (ЧХ прямоугольной формы) в предполагаемом частотном диапазоне. Однако большинство антенных систем РЛС не предназначено для режимов поимпульсной перестройки частоты, вследствие чего их ЧХ не отвечают требованию постоянства коэффициента усиления при перестройке частоты сигнала. Замена антенны является дорогостоящей процедурой, что вызывает необходимость привлечения других способов обеспечения неизменности КУ при приеме и излучении сигналов разных частот.
1
2
Зависимость амплитуды формируемых из СПЧ портретов и других характеристик от частоты и частотного диапазона является недостатком большинства устройств излучения и приема радиолокационных сигналов. При этом в нейросетевых классификаторах и квазивероятностных системах классификации (распознавания) по совокупности признаков в настоящее время используются РЛП и РЛИ воздушных объектов [5-8]. Амплитуда принятого сверхширокополосного сигнала, в том числе амплитуда узкополосного сигнала на измененной частоте, наряду с зависимостью от дальности зависит от КУ используемой антенной системы. Амплитуды составляющих РЛП имеют аналогичную зависимость, которую можно учесть каким-либо косвенным способом. Однако при наличии активных помех в диапазоне перестройки импульсного сигнала по частоте необходимо адаптивно менять частотное положение диапазона перестройки, оставляя неизменной величину диапазона. В этом случае амплитуды составляющих РЛП в соответствии с характером ЧХ будут изменяться, что не учитывается алгоритмами классификации, использующими амплитудный признак, то есть использующими амплитуду составляющих РЛП как признак. На фиг. 3 в качестве примера показана ЧХ антенной системы 5, из которой следует, что КУ G(ƒ) на всех частотах диапазона Δƒ больше КУ на частотах диапазона перестройки Δƒ. Вследствие этого целесообразно предусмотреть механизм учета неравномерности ЧХ антенной системы РЛС или способ обеспечения неизменности ЧХ антенны.
Известен способ формирования равномерной ЧХ антенны в широком диапазоне частоты (3-10 ГГц). Он заключается в том, что форму зеркала сверхширокополосной антенны рассчитывают по специальной методике [9]. Геометрические формы и размеры облучателя рупорного типа также рассчитывают по специальной методике, а затем проверяют частотные свойства разработанной антенны и облучателя методом рефлектометрии и методом двух эквивалентных антенн, настраивая конструкцию в интересах дополнительного выравнивания коэффициентов усиления. Относительно равномерная частотная характеристика описанной антенны показана на фиг. 4.
Недостатком описанного способа формирования равномерной ЧХ антенной системы является то, что он пригоден лишь для антенн зеркального вида с неизменной поляризацией, определяемой положением рупорного облучателя, вынесенного в фокус апертуры параболоидного типа. Для других видов антенных систем установленная (применяемая) методика расчета параметров антенных элементов неприемлема и нуждается в специальной научно-инженерной разработке. При этом в современных РЛС применение зеркальных антенн уже является редким и неповсеместным, а режим перестройки частоты - обязательным или рекомендуемым. При модернизации современных РЛС в интересах внедрения режимов радиовидения и портретирования всегда возникает дополнительная необходимость обеспечения неизменности (равномерности) ЧХ антенной системы. Поэтому устранение негативного влияния неравномерности частотной характеристики, используемой в режиме радиовидения антенны является актуальным.
Задачей изобретения является разработка универсального способа устранения негативного влияния неравномерности частотной характеристики антенной системы, индифферентного к виду и форме антенны, а также зависимости амплитуды отраженного сигнала от дальности в интересах корректного использования в радиолокаторах режимов портретирования (радиовидения).
Для решения поставленной задачи предлагается проводить для предполагаемой к использованию антенной системы серию экспериментов с помещенными в дальнюю зону эталонными отражателями радиоволн [10-12] и фиксацией уровня, принимаемого антенной и передаваемого в приемник РЛС сигнала. Серия экспериментов [13-14] должна предполагать измерение и запись уровней, приходящих сигналов от объектов, удаленных на разные расстояния.
В соответствии с приведенной идеей изобретения способ устранения негативного влияния неравномерности частотной характеристики [15] предлагается построить в виде последовательности следующих операций:
2
1) На минимальной дальности действия РЛС провести серию из М (например, М=100) экспериментов по фиксации амплитуды отражений от эталонного отражателя (ЭО) с известной эффективной площадью рассеяния (например, 1 м) на каждой из частот зондирования, меняя его положение в пределах первого (наиболее близкого к РЛС) элемента разрешения по дальности [16].
2) Рассчитать среднюю амплитуду  отраженного от ЭО сигнала в первом, т.е. ближнем к антенне элементе разрешения по дальности по формуле
где  - амплитуда k-го отраженного сигнала на n-й частоте в ближнем (первом) элементе разрешения по дальности (является частным случаем  для обозначения амплитуды k-го отраженного сигнала на n-й частоте в s-м элементе разрешения по дальности); n=1…N, N - количество частот перестройки в пачке СПЧ; М - число опытов.
В результате будет получено N средних амплитуд отраженных сигналов
от ЭО, каждая из которых соответствует вполне определенной n-й частоте.
n
3) Рассчитать коэффициент неравномерности ЧХ антенны РЛС на каждой n-й частоте зондирования K1 относительно амплитуды отраженного сигнала на первой частоте в пределах ближнего элемента разрешения по дальности по формуле
4) Перемещая эталонный отражатель во второй, третий и т.д. до S-го элемента разрешения по дальности, провести аналогичные серии экспериментов и зафиксировать в каждом элементе разрешения по дальности М раз амплитуду, отраженного от ЭО сигнала, изменяя всякий раз положение ЭО в пределах элемента разрешения по дальности.
5) Рассчитать среднюю амплитуду отраженного сигнала на первой частоте  для каждого s-го элемента разрешения по дальности по формуле
где - амплитуда отражений в j-м опыте для s-го элемента разрешения по дальности на первой частоте.
S
6) Рассчитать коэффициент K2 неравномерности средней амплитуды отраженного сигнала от ЭО из разных s-x элементов разрешения по дальности по отношению к средней амплитуде отражения в ближнем (т.е. первом) элементе разрешения по дальности с использованием выражения
ns
7) Рассчитать величину коэффициента неравномерности K3 амплитуды отражений на n-й частоте в s-м элементе разрешения по дальности по формуле
и зафиксировать полученные коэффициенты в двумерном массиве данных  с N строками и S столбцами.
ns
ns
nsн
8) Измеряя амплитуду U отраженного сигнала от произвольного объекта на n-й частоте в s-м элементе разрешения по дальности, перед использованием в процедурах портретирования или радиовидения преобразовывать зафиксированную амплитуду U в нормированную амплитуду U по формуле
ns
где K3 - величина поправочного коэффициента, извлекаемого из n-й строки и s-го столбца массива K3.
Сущность предлагаемого способа устранения негативного влияния неравномерности частотной характеристики заключается в следующем.
Для качественного распознавания воздушных объектов по структуре РЛП (РЛИ) необходимо, чтобы разрешающая способность обеспечивала просмотр отражений от рассеивающих центров (РЦ) отдельных элементов планера, а амплитуда откликов в РЛП показывала величину эффективной отражающей площади (ЭПР), соответствующего РЦ. Амплитудная информация в РЛП представляет собой признак, позволяющий сравнивать объекты между собой. В некоторых технических проектах систем распознавания предложено использовать нормированные РЛП. В них амплитуда наиболее интенсивного РЦ всегда равна единице и амплитудная информация об ЭПР РЦ отсутствует. Тогда в системе распознавания приходится использовать отдельный признак амплитуды или ЭПР всего объекта, и схема системы усложняется. Более продуктивным является использование портретов, нормированных только к амплитуде самого интенсивного РЦ их всех возможных. Тогда в РЛП амплитудная информация как признак распознавания сохраняется. Протяженность РЛП не зависит от дальности до объекта. А вот амплитуда отдельных РЦ в общем случае зависит как от частоты зондирования, так и от удаленности РЦ от РЛС. Вероятность правильного распознавания объекта будет выше, если при любой дальности и любой частоте зондирования амплитуда РЦ в РЛП будет определяться только его индивидуальными особенностями и ракурсом локации [17-20]. В реальности же амплитуда РЦ находится в зависимости от дальности и частоты зондирования. Поэтому необходим инструментарий для приведения амплитуды отраженных сигналов от РЦ к величине, которая не зависит от дальности и значения частоты. Таким инструментарием является массив коэффициентов К3, вносящих соответствие между амплитудой отраженного сигнала, дальностью и частотой зондирования. В качестве меры дальности в массиве К3 выступает номер элемента разрешения по дальности. Значения коэффициентов пересчета амплитуд в массиве К3 формируются в ходе усреднения результатов натурных экспериментов, что обеспечивает достоверность преобразования.
Использование ЭО с известной ЭПР является выполнимым [11-12]. Методы проведения натурных экспериментов также являются известными и реализуемыми [13-14]. Наличие резерва памяти в вычислительных системах современных РЛС обеспечивает хранение данных массива К3 и использование их в процедурах формирования РЛП и РЛИ. Таким образом, предложенный способ устранения негативного влияния неравномерности частотной характеристики антенной системы является реализуемым.
Предложенный способ может быть рекомендован для формирования признаков классификации воздушных объектов в радиолокационных станциях с перестройкой частоты и (или) инверсным синтезированием апертуры.
Источники информации
1. Митрофанов Д.Г. Алгоритмы адаптивного метода построения двумерного радиолокационного изображения // Измерительная техника, 2004. №11. С. 6-11.
2. Митрофанов Д.Г. Комплексный адаптивный метод построения радиолокационных изображений в системах управления двойного назначения // Теория и системы управления, 2006. №1. С. 101-118.
3. Митрофанов Д.Г. Метод построения радиолокационных изображений аэродинамических летательных аппаратов // Полет, 2006. №11. С. 52-60.
4. Митрофанов Д.Г. Формирование двумерного радиолокационного изображения цели с траекторными нестабильностями полета // Радиотехника и электроника. РАН, 2002. №7. С. 852-859.
5. Патент 2234110 (РФ), МПК7 G01S 13/89. БИ 2004 г. №22. Способ построения двумерного радиолокационного изображения воздушной цели / Митрофанов Д.Г., Бортовик В.В. и др.
6. Митрофанов Д.Г., Перехожев В.А. Вариант построения двухуровневого нейросетевого идентификатора летательных аппаратов. Серпухов: Известия института инженерной физики (Раздел: Методы обработки сигналов). Том 1. №1. 2014. С. 47-52.
7. Патент на полезную модель №82045. G01S 13/90. Устройство нейросетевого распознавания целей по совокупности признаков. Митрофанов Д.Г., Перехожев В.А. и др. Заявл. 2.12.2008. Опубл. 10.04.2009. Бюл. 10.
8. Патент №2412451. G01S 13/90. Радиолокационная станция с перестройкой частоты, инверсным синтезированием апертуры и двухуровневым нейросетевым распознаванием объектов по совокупности признаков. Митрофанов Д.Г., Перехожев В.А. и др. Заявл. 21.07.2009. Опубл. 20.02.2011. Бюл. 5.
9. Зайцев А.В., Халла А.В. Сверхширокополосная зеркальная антенна с частотным диапазоном от 3 до 10 ГГц // Вопросы радиоэлектроники. Серия «Радиолокационная техника (РЛТ)». Выпуск 3. Москва, ОАО «ЦНИИ «Электроника». С. 44-50 (прототип).
10. Мицмахер М.Ю., Торгованов В.А. Безэховые камеры СВЧ. М.: Радио и связь, 1982. 128 с.
11. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. М., Сов. радио, 1975. 348 с.
12. Теоретические основы радиолокации / Под ред. В.Е. Дулевича. М.: Сов. радио, 1978. 608 с.
13. Методы исследования радиолокационных характеристик объектов / под ред. С.В. Ягольникова. М., Радиотехника. 2012. 296 с.
14. Митин И.В., Русаков B.C. Анализ и обработка экспериментальных данных. М., Издательство НЭВЦ ФИПТ. 1998. 48 с.
15. Белоцерковский Г.Б. Антенны. М., Оборонгиз. 1962.
16. Ширман Я.Д. Радиолокационные системы. Основы построения и теория. М., Радиотехника. 2007.
17. Селекция и распознавание на основе локационной информации. А.Л. Горелик, Ю.Л. Барабаш, О.В. Кривошеев, С.С.Эпштейн / под ред. А.Л. Горелика. М., Радио и связь, 1990. 240 с.
18. Патент РФ №2358288. МПК G01S 13/90. Многочастотная РЛС с инверсным синтезированием апертуры и двухуровневым распознаванием цели. Сафонов А.В., Митрофанов Д.Г. Приоритет 29.10.2007. Опубл. 10.06.2009. Бюл. №16.
19. Финкельштейн М. И. Основы радиолокации. М.: Радио и связь. 1983. 536 с.
20. Митрофанов Д.Г., Ермоленко В.П., Коваленков Н.Н. Учет вида зондирующего сигнала и архитектурных особенностей радиолокационных целей при определении потенциальных возможностей их распознавания // Зарубежная радиоэлектроника. 1996. №11.