РАДИОЛОКАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ ПО СТРУКТУРЕ ДАЛЬНОСТНОГО ПОРТРЕТА

Радиолокационное устройство идентификации объектов по структуре дальностного портрета относится к радиолокационной технике и может быть использовано для идентификации объектов (например, летательных аппаратов) на всевозможных дальностях и ракурсах локации.
Известна радиолокационная станция (РЛС) с автоматическим фильтром распознавания [1], в которой распознавание и идентификация объектов могут быть осуществлены оператором путем сравнения принимаемых эхо-сигналов с эталонными радиоимпульсными портретами известных целей, то есть путем сравнения радиолокационных портретов реальной и эталонных целей. Одновременно известно, что при применении указанной РЛС можно добиться более эффективного распознавания радиолокационных целей, если вместо радиолокационных портретов оценивать сигналы, представляющие собой сумму радиоимпульсов, отраженных отдельными рассеивающими центрами (РЦ) поверхности цели. Радиолокационная станция с автоматическим фильтром распознавания включает передатчик, гетеродин, цифровое управляющее устройство (ЦУУ), последовательно соединенные антенну, антенный переключатель, усилитель высокой частоты (УВЧ), смеситель, усилитель промежуточной частоты (УПЧ), автоматический фильтр распознавания (АФР), детектор и индикатор, причем второй вход антенного переключателя связан с выходом передатчика, второй вход смесителя - с выходом гетеродина, а второй вход АФР - с выходом ЦУУ.
Данная РЛС использует для зондирования мощные линейно-частотно-модулированные (ЛЧМ) импульсы, что позволяет распознавать объекты на больших дальностях. Однако вероятность распознавания в такой РЛС нуждается в повышении, так как зрительно-идентификационные возможности оператора РЛС ограничены. Оператор не может держать в памяти большое количество эталонов дальностных портретов, критичных к ракурсу локации объектов. В случае же распознавания по сумме сигналов, отраженных различными РЦ, вероятность перепутывания объектов разных классов (типов) может быть еще больше, так как разное количество РЦ на поверхности разных объектов, имея различные интенсивности отражения и радиальное геометрическое расположение, не исключает одинакового результирующего суммарного сигнала, определяющего класс или тип. Информация о различии интенсивностей отражения у различных РЦ в данном случае, к сожалению, не используется, поскольку в типовых РЛС с ЛЧМ-сигналами перед оптимальным фильтром сжатия (местоположение которого в [1] не указано) ставится ограничитель амплитуд сигналов, обеспечивающий нормальную работу фильтра и исключающий его перегрузку. В [1, с.126] указано также, что "параметры системы распознавания, а точнее автоматического фильтра распознавания определяются ожидаемой длиной цели…", то есть процесс распознавания в данном случае требует априорной информации о целях, которая в большинстве реальных ситуаций отсутствует.
Известно также радиолокационное устройство идентификации объектов по структуре дальностного портрета, содержащее передатчик, гетеродин, ЦУУ, индикатор, систему управления антенной (СУА), систему измерения дальности (СИД), дисперсионную ультразвуковую линию задержки (ДУЗЛЗ), К аналого-цифровых преобразователей (АЦП), (К-1) линий задержки, запоминающее устройство (ЗУ), коммутатор, инвертор кода, схему «И», последовательно соединенные амплитудный ограничитель (АО), амплитудный детектор (АД) и дифференцирующую цепь (ДЦ), а также последовательно соединенные антенну, антенный переключатель (АП), УВЧ, смеситель, усилитель промежуточной частоты (УПЧ), причем второй вход антенного переключателя связан с выходом передатчика, второй вход смесителя - с выходом гетеродина, выход дифференцирующей цепи соединен со вторым входом ЦУУ, первый вход которого связан с выходом СИД, а третий - со вторым выходом СУА, первый выход которой механически связан с антенной, а вход связан с выходом УПЧ, входом СИД и входом амплитудного ограничителя, выход которого также связан со входом ДУЗЛЗ, выход которой подключен ко входу первого из К аналого-цифрового преобразователя и входу первой из (К-1) линии задержки, выход каждой k-й с первой по (К-2)-ю линии задержки соединен со входом соответствующей (k+1)-й линии задержки и входом соответствующего (k+1)-го АЦП, выход (К-1)-й линии задержки связан со входом К-го аналого-цифрового преобразователя, выход каждого k-го из К аналого-цифровых преобразователей соединен с соответствующим k-м входом ЗУ, каждый k-й из К выходов которого связан с соответствующим k-м входом коммутатора, каждый k-й из К выходов которого связан одновременно с соответствующим k-м входом схемы «И» и k-м выходом инвертора кода, вход которого связан с управляющим входом коммутатора и вторым выходом цифрового управляющего устройства, первый выход которого связан с первым управляющим входом запоминающего устройства, а третий - со вторым управляющим входом запоминающего устройства, выходом схемы «И» и первым входом индикатора, второй вход которого подключен к четвертому выходу цифрового управляющего устройства.
Работа данного устройства основана на формировании дальностного портрета (ДлП) объекта из отраженного ЛЧМ-сигнала с помощью оптимального сжатия на ДУЗЛЗ и сравнении полученного портрета с набором эталонных дальностных портретов. Дальностный портрет показывает распределение отражательных свойств объекта по радиальной координате. При совпадении импульсных откликов (отражений) в элементах эталонного и реального ДлП принимается решение об отнесении объекта к определенному типу.
Недостатком описанного устройства является то, что при сравнении сформированного им дальностного портрета реального объекта с эталонным портретом устанавливается только факт совпадения элементов, в которых присутствую отражения от РЦ в виде импульсных откликов сжатого радиолокационного сигнала. В этом случае возможны ошибки идентификации, поскольку отсутствие отраженных сигналов в некоторых элементах продольного разрешения (элементах ДлП) не проверяется. Виной тому является использование компаратора, закрывающего прохождение импульсных откликов от РЦ реального объекта в каналах, которым соответствует нулевой код эталонного ДлП.
Задачей полезной модели является повышение достоверности автоматической идентификации радиолокационных объектов в квазиоптической области отражения радиоволн за счет применения более строгого алгоритма нахождения взаимного соответствия между реальным и эталонным дальностным портретом объекта.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в состав известного радиолокационного устройства идентификации объектов по структуре дальностного портрета [2] дополнительно вводят блок сдвигающих регистров (БСР) и блок сравнения с эталонами (БСЭ). При этом выходы (их число равно К) ЗУ соединяют с соответствующими первыми входами (из К первых входов) БСЭ, вторые входы (из К вторых входов) которого связывают с соответствующими выходами (из К выходов) БСР, первый вход которого подключают к второму выходу ЦУУ, пятый выход которого соединяют с вторым входом БСР, a k-e выходы (из К выходов) БСЭ связывают с соответствующими k-ми входами (из К входов) схемы «И».
Предложенное построение схемы радиолокационного устройства идентификации объектов по структуре дальностного портрета позволяет существенно повысить вероятность идентификации объектов за счет более качественного сравнения эталонного ДлП объекта с реальным сформированным в процессе сопровождения объекта дальностным портретом. Такие важные факторы, как учет взаимного расположения РЦ на поверхности планера, а также учет ракурса визирования продолжают использоваться в предлагаемом устройстве с еще большей эффективностью.
На фигуре представлена структурная схема радиолокационного устройства идентификации объектов по структуре ДлП. Устройство идентификации содержит СУА 1, антенну 2, антенный переключатель 3, УВЧ 4, смеситель 5, УПЧ 6, АО 7, передатчик 8, гетеродин 9, СИД 10, АД 11, ДУЗЛЗ 12, ДЦ 13, ЦУУ 15, КАЦП 16, (К-1) ЛЗ 14, ЗУ 17, блок сравнения с эталонами (БСЭ) 18, блок сдвигающих регистров (БСР) 19, схему «И» 20 и индикатор 21. При этом антенна 2, антенный переключатель 3, УВЧ 4, смеситель 5, УПЧ 6, СИД 10 и ЦУУ 15 соединены последовательно. Передатчик 8 связан со 2-м входом АП 3, а гетеродин 9 соединен со вторым входом смесителя 5. Выход УПЧ 6 связан также со входом СУА 1 и входом АО 7, выход которого связан со входом АД 11 и входом ДУЗЛЗ 12, выход которой соединен со входом первого АЦП 16 и входом первой ЛЗ 14. Выход каждой k-й с первой по (К-2)-ю ЛЗ 14 связан со входом соответствующей (k+1)-й ЛЗ 14 и входом соответствующего (k+1)-го АЦП 16. Выход (К-1)-й ЛЗ 14 подключен ко входу К-го АЦП 16. Выход каждого k-го из КАЦП 16 соединен с соответствующим k-м входом ЗУ 17, каждый k-й из К выходов которого связан с соответствующим k-м первым входом БСЭ 18, каждый k-й выход которого подключен к соответствующему k-му входу схемы «И» 20. Первый выход ЦУУ 15 подключен к первому управляющему входу ЗУ 17, 3-й выход - ко второму управляющему входу ЗУ 17, выходу схемы «И» 20 и первому входу индикатора 21, 4-й выход - ко второму входу индикатора 21, второй выход - к первому входу БСЭ 19, а пятый выход - ко второму выходу БСР 19, каждый k-й из К выходов которого соединен с соответствующим k-м вторым входом БСЭ 18. Выход АД 11 связан со входом ДЦ 13, выход которой соединен со вторым входом ЦУУ 15, третий вход которого подключен ко второму выходу СУА 1, первый выход которой механически связан с антенной 2.
Радиолокационное устройство идентификации объектов по структуре дальностного портрета работает следующим образом.
пр
Передатчик 8 формирует импульсные ЛЧМ-сигналы, которые, поступая на второй вход АП 3, проходят через него в антенну 2 и излучаются в направлении воздушного объекта, выбранного для идентификации. Отразившись от объекта (от планера и вращающихся элементов двигателей летательного аппарата), радиоимпульсы принимаются антенной 2, через АП 3 поступают на вход УВЧ 4, где происходит их предварительное усиление. Затем усиленные радиоимпульсы поступают на первый вход смесителя 5, на второй вход которого подается сигнал местного гетеродина 9. В результате частота заполнения радиоимпульсов понижается до промежуточной f и сигнал с выхода смесителя 5 поступает для основного усиления в УПЧ 6, с выхода которого усиленные импульсы на промежуточной частоте следуют на входы СУА 1, СИД 10, и АО 7.
Система управления антенной 1 постоянно подслеживает за объектом путем вычисления сигналов ошибки по угловым координатам (углу места и азимуту). На основании величин сигналов ошибки СУА 1 воздействует на механический привод антенны 2, разворачивая антенну в направлении на объект и сводя сигналы ошибки к нулю. На чертеже это показано наличием у СУА 1 первого выхода, механически связанного с антенной 2.
пр
Амплитудный ограничитель 7 производит ограничение амплитуды полезного сигнала промежуточной частоты f до уровня, обеспечивающего нормальную работу ДУЗЛЗ 12. С выхода АО 7 ограниченный по амплитуде отраженный от объекта сигнал поступает на вход ДУЗЛЗ 12, где проводится его оптимальное сжатие, а также на вход АД 11, выделяющего огибающую входного сигнала. На выходе ДУЗЛЗ 12 получают совокупность коротких импульсных ткликов, временная расстановка между которыми соответствует расстояниям между отдельными РЦ в радиальном направлении. Совокупность таких импульсов, характеризующая структуру и размеры объекта вдоль линии визирования, принято именовать дальностным портретом объекта.
max
è
ё÷ì
ё÷ì
Для одновременного анализа наличия или отсутствия сигналов РЦ во всех дальностных интервалах отраженного от объекта сигнала применяется каскад из (К-1) линий задержки 14 и К АЦП 16. Число каналов К выбирается, исходя из необходимости просмотра структуры наиболее крупноразмерного объекта с радиальной протяженностью L и величины элемента разрешения по дальности δD. Величина δD в РЛС с оптимальным сжатием сигналов в ДУЗЛЗ определяется длительностью сжатого импульса δD=сτ/2=0,5ñΔf, где Δf- девиация частоты в ЛЧМ-импульсе, с - скорость распространения радиоволн. Следовательно, число каналов К, то есть число анализируемых дальностных (временных) интервалов К, будет определяться зависимостью
mах
mах
è
К=L/δD=2L/(сτ).
max
ё÷ì
max
ё÷ì
К примеру, для L=50 м и Δf=30 МГц получаем К=10, а для L=50 м и Δf=150 МГц - соответственно К=50.
з
и
Пройдя каскад линий задержки, каждая из которых имеет время задержки t, равное величине τ, ДлП "расщепляется" на К составляющих, так что в момент, когда на входе первого АЦП 16 будет присутствовать сигнал последнего элемента (разрешаемого интервала) портрета, на выходе (К-1)-й ЛЗ будет иметь место сигнал первого элемента разрешения ДлП. Наличие сигнала в k-м канале (на выходе k-й ЛЗ) показывает наличие локального РЦ в определенном k-м элементе дальности.
Сигнал с выхода k-й из (К-1) ЛЗ 14 поступает на вход соответствующего (k+1)-го АЦП 16. На вход 1-го АЦП 16 поступает сигнал непосредственно с выхода ДУЗЛЗ 12. Все АЦП 16 предназначены для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму. После перевода аналоговых сигналов в цифровой код АЦП 16 подают эти цифровые сигналы со своих выходов на соответствующие входы ЗУ 17. Запоминающее устройство 17 имеет два управляющих входа и представляет собой совокупность регистров типа К555ИР32 [3, с.69, рис.98]. Первый управляющий вход служит для фиксации момента запоминания цифровой информации на К входах, связанных с выходами соответствующих К АЦП 16.
Сигнал, разрешающий запоминание информации, формируется в ЦУУ 15 по сигналу, поступающему на второй вход ЦУУ 15. Для формирования последнего полезный сигнал на промежуточной частоте с выхода АО 7 подается на вход АД 11, где выделяется его огибающая, поступающая с выхода АД 11 на вход ДЦ 13. Дифференцирующая цепь 13 генерирует положительный импульс, соответствующий моменту поступления на ее вход переднего фронта видеосигнала с выхода АД 11. Положительный импульс положения переднего фронта видеосигнала объекта поступает на 2-й вход ЦУУ 15, которое вырабатывает и подает со своего 1-го выхода в рассчитанный момент времени на первый управляющий вход ЗУ 17 сигнал, разрешающий одновременное запоминание цифровой информации с выходов К АЦП 16.
Запоминание сигналов с выходов К АЦП 16 необходимо для того, чтобы в течение некоторого промежутка времени иметь возможность проводить сравнение структуры эталонных ДлП объектов различных классов или типов со структурой портрета реального идентифицируемого объекта, представленного сигналами на К выходах ЗУ 17. Для организации процесса такого сравнения на первый и третий входы ЦУУ 15 подаются соответственно сигналы с выходов СИД 10 (данный сигнал пропорционален дальности до объекта D) и СУА 1 (данный сигнал пропорционален угловым координатам объекта). На основе координатной информации об объекте и характере ее изменения во времени, в предположении, что вектор линейной скорости объекта совпадает с продольной осью летательного аппарата, ЦУУ 15 выбирает из банка данных эталонные дальностные портреты объектов различных типов, соответствующие вычисленному ракурсу локации, которые в виде кодовых расстановок со второго выхода ЦУУ поочередно поступают на первый вход блока сдвигающих регистров 19.
Блок сдвигающих регистров 19 содержит К/4 регистров ТТЛ, каждый из которых имеет по 4 информационных выхода [4]. Последний информационный выход предыдущего регистра должен быть соединен с последовательным входом последующего регистра. Например, в качестве регистра может быть использована микросхема К155ИР1 и другие аналогичные микросхемы серий К155 и К555 [4 с. 103-128]. Предназначение БСР 19 состоит в формировании параллельного кода из последовательного. Если на вход блока 19 поступает цифровое слово в виде совокупности нулей и единиц длительностью в К символов, то на К отдельных выходах блока 19 при совокупном рассмотрении должна быть сформирована аналогичная последовательность, причем на каждом отдельном выходе имеется всего один бит информации: или ноль, или единица. То есть логика работы БСР 19 такова: на s-м выходе должна быть выведена информация, соответствующая s-му символу в слове, которое поступает на первый вход БСР 19. Слово содержит К символов в двоичном коде, т.е. состоит из нулей и единиц.
Слово поступает на последовательный вход первого регистра блока 19. При поступлении тактовых сигналов на тактовый вход регистра происходит сдвиг входной последовательности символов, в результате чего на выходах Q0, Q1, Q2, Q3 регистра сформируются первые 4 символа слова. Выход Q3 (последний выход) первого регистра подключается к последовательному входу 2-го регистра. Последний выход 2-го регистра подключается к последовательному входу 3-го регистра и так далее до последнего регистра, последовательный вход которого должен быть подключен к выходу Q3 предпоследнего регистра.
Тактовые входы всех К/4 регистров должны быть соединены в блоке 19 одним узлом. Тогда информация s-го регистра по мере поступления тактовых сигналов с пятого выхода ЦУУ 15 на второй вход БСР 19 будет сдвигаться вправо в сторону (s+1)-го регистра до тех пор, пока по К-му тактовому сигналу не будет сформирован параллельный код на К выходах блока 19, соответствующий последовательному коду в слове, поступающему на 1-й вход блока. Первый вход блока 19 является параллельным входом его первого регистра.
Поступающее со 2-го выхода ЦУУ 15 на 1-й вход блока 19 входное слово в двоичном коде представляет собой эталонный ДлП объекта определенного типа на соответствующем ракурсе. При этом единичным символом обозначается факт наличия импульсного отклика в соответствующем элементе дальности ДлП, а нулевым символом - факт отсутствия импульсного отклика в элементе дальности. Пример: слово из 8 символов 00101000 означает наличие отражений только в 3-м и 5-м элементах разрешения по дальности, а слово 01100011 означает наличие импульсных откликов во 2-м, 3-м, 7-м и 8-м элементах разрешения. Информация о структуре эталонного ДлП в виде параллельного двоичного кода поступает на вторые входы БСЭ 18. Для этого k-й выход БСР 19 связывается с соответствующим k-м вторым входом БСЭ 18.
Блок сравнения с эталонами 18 содержит К логических элементов «исключающее ИЛИ с инверсией», называемых иначе «исключающими ИЛИ-НЕ» [4 с. 54-55, 5 с.18]. При этом первый вход k-го логического элемента «исключающий ИЛИ-НЕ» блока 18 связывается с k-м первым входом блока 18, а второй вход k-го логического элемента - с k-м вторым входом БСЭ 18. Согласно таблице истинности логического элемента «исключающее ИЛИ-НЕ» на его выходе формируется единичный сигнал только при совпадении значений сигналов на обоих входах. Таким образом, при наличии в ДлП объекта импульсных откликов, соответствующих их местоположению в эталонной структуре, а также при отсутствии информации об импульсных откликах (от РЦ поверхности летательного аппарата) в элементах дальности, соответствующих нулевому значению кода эталонного ДлП, на выходах всех элементов «исключающее ИЛИ-НЕ» будет получена единица. В случае же если в k-м элементе ДлП объекта будет записан «ноль», а в соответствующем эталонном ДлП - единица, на выходе k-го логического элемента получим «ноль». Такой же результат будет в случае, если в ДлП объекта будет зафиксировано отражение от планера в месте, где его наличие для объекта данного типа эталонным дальностным портретом не предполагается.
Сигналы К выходов БСЭ 18 поступают на соответствующие входы схемы «И» 20, которая вырабатывает выходной сигнал только при наличии единичного значения кода на всех К входах одновременно. Таким образом, на выходе схемы «И» 20 появится сигнал только в том случае, если сформированный ДлП на выходах ЗУ 17 совпадает с эталонным портретом, пришедшим из ЦУУ 15 через БСР 19, так как единичные и нулевые сигналы портрета реального объекта совпадут по значению с сигналами выбранного эталона.
ЦУУ 15 подает со своего 4-го выхода на 2-й вход индикатора 21 сигнал, подготавливающий к включению информационное табло (лампа, светодиод и т.п.) наличия объекта данного i-го типа (класса). При совпадении ДлП объекта с эталонным ДлП схема «И» 20 подает на 1-й вход индикатора 21 сигнал, по приходу которого включается табло, информирующее оператора радиолокационной станции о результатах идентификации. Выходной сигнал схемы «И» 20 используется также для перевода ЗУ 17 в исходное (ждущее) состояние, так как он автоматически поступает на 2-й управляющий вход ЗУ 17. В случае, если ДлП объекта не соответствует ни одному из эталонов на выбранном ракурсе, сигнал перевода ЗУ 17 в исходное состояние поступает на его 2-й управляющий вход с 3-го выхода ЦУУ 15. В этом случае объект считается нераспознанным и цикл идентификации возобновляется.
Как видно из описания предлагаемого устройства идентификации объектов по структуре дальностного портрета, оно лишено недостатка, свойственного прототипу [2]. Идентификация объектов учитывает в данном случае не только совпадение в реальном и эталонном ДлП элементов разрешения, содержащих импульсные отклики, но и совпадение элементов, в которых импульсные отклики отсутствуют.
При таком подходе к идентификации ее результаты будут более достоверными, а информация о типе объекта не будет содержать ошибок. Как и в прототипе результат идентификации объектов с помощью предложенного устройства не зависит от обученности и личных качеств персонала, так как процесс идентификации полностью автоматизирован. Целесообразность использования предлагаемого данной полезной моделью нового технического решения определяется расширением информационных возможностей усовершенствованной радиолокационной системы по идентификации объектов.
Источники информации
1. Небабин В.Г., Сергеев В.В. Методы и техника радиолокационного распознавания. М.: Радио и связь, 1984, с.120-126, рис.4.11 (аналог).
7
2. Патент РФ №2095825. МПК G01S 13/02. РЛС распознавания целей. Митрофанов Д.Г., Ермоленко В.П. Заявка №96106040 от 29.03.96. Опубл. 10.11.1997 (прототип).
3. Цифровые аналоговые интегральные микросхемы. Справочник / Под ред. С.В.Якубовского. М.: Радио и связь, 1989. 496 с.
4. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение. Массовая радиобиблиотека. Выпуск 1111. 1989. 352 с.
5. Безуглов Д.А. Цифровые устройства и микропроцессоры. Ростов на Дону: Феникс, 2008. 468 с.