РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА С ФУНКЦИОНАЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ХАРАКТЕРИСТИК ОТРАЖЕННЫХ СИГНАЛОВ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к области радиолокации, а именно к радиолокационным системам зондирования (циклического обзора) земной и водной поверхности и/или воздушного пространства, и может быть использована в качестве систем, предназначенных для обнаружения различных надводных, береговых, наземных и воздушных объектов, измерения их координат и параметров движения, а также для контроля состояния водных и земных поверхностей и воздушного пространства.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Решение навигационных и радиолокационных задач требует создания радиолокационных систем зондирования земной и водной поверхности и воздушного пространства с различными функциональными возможностями.
Основным фактором, ограничивающим технические возможности радиолокаторов, является малая мощность принимаемого отраженного сигнала, которая обуславливает низкую яркость элементов радиолокационных изображений и низкую контрастность радиолокационных изображений.
Известна радиолокационная система, содержащая передающий модуль, антенный блок, приемный модуль, индикатор и блок синхронизации [1].
Недостатком известной радиолокационной системы является низкая разрешающая способность по дальности и угловой координате, а также отсутствие цифровой обработки сигналов и отображение информации на яркостном экране, что обуславливает недостаточные эксплуатационные характеристики данной радиолокационной системы.
Наиболее близкой предлагаемой полезной модели (прототипом) является радиолокационная система, содержащая антенный блок, последовательно соединенный посредством бесконтактного вращательного перехода с СВЧ трактом, передающим модулем и приемным модулем, имеющим в своем составе блок связи и синхронизации и компьютерный индикатор с платой радар-процессора и монитором [2].
В данной радиолокационной системе запись поступающей в радар-процессор информации осуществляется в память, организованную в виде двух блоков (страниц). В одну из страниц записываются текущие данные (сигналы, соответствующие уровням отражений от элементов разрешения исследуемого пространства для заданных угловых направлений и дистанций), а на другую могут считываться данные, записанные ранее. Информация от радар-процессора через буфер обмена и шину поступает в компьютер для дальнейшей вторичной обработки, представления первичной и вторичной информации на мониторе, хранения и трансляции по локальным вычислительным сетям.
При этом первичная информация представляется в виде текущего радиолокационного изображения, яркость элементов которого определяется уровнем отраженных сигналов в соответствующих элементах разрешения, то есть чем выше уровень отраженных сигналов, тем ярче соответствующие элементы радиолокационного изображения.
Техническим недостатком данной системы является недостаточно высокие эксплуатационные возможности, а именно низкая контрастность на радиолокационных изображениях целей с малым (приближающемся к единице) отношением уровня сигналов, отраженных от объектов наблюдения (целей), к уровню сигналов, отраженных от окружающего фона, или малым отношением уровня сигналов, отраженных от фона, к уровню сигналов, отраженных от целей в тех случаях, особенно когда уровень отражений от объектов наблюдения ниже уровня отражений от фона, а также невозможность выделения среди неподвижных объектов тех, которые имеют движущиеся элементы, например антенных постов с вращающимися антеннами или вертолетов с вращающимися винтами.
Общим техническим недостатком известных систем является неудовлетворительная контрастность изображений в случаях малоконтрастных целей, плохая заметность подвижных целей или их подвижных элементов, плохая заметность аномалий подстилающей поверхности.
ЗАДАЧИ И ТЕХНИЧЕСКИЙ РЕЗУЛЬТАТ
Задачей, на решение которой направлено создание предлагаемой полезной модели, является повышение функциональных возможностей и эксплуатационных характеристик радиолокационной системы путем устранения указанных выше недостатков известных радиолокационных систем.
Технический результат от использования предлагаемой полезной модели заключается в повышение функциональных возможностей и улучшение эксплуатационных характеристик радиолокационной системы путем увеличения контрастности (контраста) радиолокационных изображений объектов наблюдения с малым отношением уровня сигналов, отраженных от целей, к уровню сигналов, отраженных от фона сигналов, в частности при радиолокационном обнаружении резиновых лодок на водной поверхности, или малым отношением уровня сигналов, отраженных от фона, к уровню сигналов, отраженных от объекта наблюдения (целей), например при радиолокационном обнаружении разливов нефтепродуктов (сликов) на поверхности воды, а также обеспечения возможности выделять неподвижные цели, имеющие движущиеся элементы, например антенные посты с вращающимися антеннами или вертолеты с вращающимися винтами.
Под яркостью элемента радиолокационного изображения понимается величина светового потока с единицы площади монитора [3].
Под контрастом (контрастностью) радиолокационных изображений понимается отношение яркости самых светлых к яркости самых темных элементов изображений [3].
Под контрастом целей на радиолокационном изображении понимается отношение яркости целей к яркости окружающего фона или отношение яркости окружающего фона к яркости целей в тех случаях, когда яркость фона выше яркости целей.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Требуемый технический результат достигается тем, что в радиолокационной системе, содержащей соединенные линиями связи обеспечивающий возможность циклического обзора исследуемого пространства антенный блок, соединенный через СВЧ тракт с передающим модулем и приемным модулем, блок связи и синхронизации, индикатор, включающий средство обработки отраженных сигналов и монитор с возможностью формирования радиолокационного изображения, средство обработки отраженных сигналов выполнено с возможностью функционального преобразования статистических характеристик отраженных сигналов путем вычисления за определенное количество циклов обзора исследуемого пространства для каждого элемента пространственного разрешения статистических характеристик отраженных сигналов, совместного функционального преобразования статистических характеристик отраженных сигналов и последующего формирования радиолокационного изображения, яркость элементов которого определяется результатом функционального преобразования статистических характеристик отраженных сигналов от объектов локации в соответствующих элементов разрешения.
При этом индикатор в качестве средства обработки отраженных сигналов содержит компьютер с платой радар-процессора, а также содержит монитор и дополнительный монитор с возможностью формирования на них первичного радиолокационного изображения и радиолокационного изображения, яркость элементов которого определяется результатом функционального преобразования статистических характеристик отраженных сигналов от объектов локации в соответствующих элементов разрешения.
Кроме этого обеспечивающий возможность циклического обзора исследуемого пространства антенный блок выполнен с приводом и вращающимся переходом, соединенный через СВЧ тракт с передающим и приемным модулями, блок связи и синхронизации, получающий синхронизирующие импульсы от передающего модуля и обеспечивающий передачу команд управления и контроля к передатчику и приемнику, а также передачу видеосигналов с выхода приемного модуля через блок сопряжения и коммутации на индикатор, включающий в качестве средства обработки отраженных сигналов содержит компьютер с платой радар-процессора и монитор с возможностью формирования радиолокационного изображения, при этом средство обработки отраженных сигналов и монитор выполнены с возможностью функционального преобразования статистических характеристик отраженных сигналов путем вычисления за установленное количество циклов обзора исследуемого пространства для каждого элемента пространственного разрешения статистических характеристик отраженных сигналов, включающих среднее значение характеристик отраженных сигналов и дисперсии, совместного функционального преобразования статистических характеристик отраженных сигналов путем их перемножения, формированием на мониторе последовательно или параллельно с первичным изображением или его частью радиолокационного изображения, яркость элементов которого определяется результатом функционального преобразования характеристик отраженных сигналов от объектов локации в соответствующих элементов разрешения.
При этом радиолокационная система выполнена с возможностью формирования радиолокационного изображения, на котором контраст целей, средний уровень отражения от которых превышает средний уровень отражения от окружающего фона, определяется по формуле
1
1
1
Ф
Ф
K=(ED)/(ED),
1
где K - контраст радиолокационного изображения цели;
1
ф
E, Е - средние уровни отражений от цели и от фона соответственно;
1
ф
D, D - дисперсии отражений от цели и от фона соответственно.
Или радиолокационная система выполнена с возможностью формирования радиолокационного изображения, на котором контраст целей (типа аномалий), средний уровень отражения от которых меньше среднего уровня отражения от окружающего фона, определяется по формуле
2
ф
ф
2
2
К=(ЕD)/(ЕD),
2
где K - контраст радиолокационного изображения цели;
ф
2
Е, Е - средние уровни отражений от фона и от цели соответственно;
ф
2
D, D - дисперсии отражений от фона и от цели соответственно.
Радиолокационная система содержит присоединенный к средству обработки отраженных сигналов дополнительный монитор с возможностью отображения на нем радиолокационного изображения, яркость элементов которого определяется результатом одновременного функционального преобразования статистических характеристик отраженных сигналов от объектов локации в соответствующих элементах разрешения.
СВЧ тракт радиолокационной системы содержит соединенные линиями связи направленный ответвитель, циркулятор и аттенюатор, при этом вход направленного ответвителя соединен с выходом передающего модуля а выход направленного ответвителя - с первым плечом циркулятора, второе плечо которого соединено с антенным блоком, а третье - с входом устройства защиты приемника приемного модуля, ответвляющий выход направленного ответвителя через аттенюатор соединен с входом смесителя АПЧ гетеродина приемного модуля.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
Предлагаемая радиолокационная система иллюстрируется следующими графическими материалами:
На фиг.1 показан вариант структурной схемы патентуемой радиолокационной системы, включающей соединенные линиями связи антенный блок 1 с приводом и вращающимся переходом, передающий модуль 2, СВЧ тракт 3, приемный модуль 4, блок связи и синхронизации 5, блок сопряжения и коммутации 6, индикатор 7, преимущественно 8 содержащий компьютер с платой радар-процессора, монитор 9 и возможный, но не всегда обязательный дополнительный монитор 10.
На фиг.2 - раскрыта структурная схема СВЧ тракта 3, содержащего соединенные линиями связи направленный ответвитель 11, циркулятор 12, аттенюатор 13;
На фиг.3 - пример радиолокационных изображений на основной мониторе 9, полученных за один цикл обзора (один оборот антенны), где яркость элементов радиолокационного изображения пропорциональна уровню отраженных сигналов.
На фиг.4 - пример радиолокационного изображения на основном мониторе 9 после накопления за 20 циклов обзора (20 оборотов антенны), где яркость элементов радиолокационного изображения пропорциональна среднему уровню отраженных сигналов.
На фиг.5 - пример радиолокационного изображения на дополнительном мониторе после накопления за 20 циклов обзора, в котором яркость элементов радиолокационного изображения пропорциональна произведению среднего уровня отражений на дисперсию отраженных сигналов.
На фиг.3, фиг.4, фиг.5 в левом нижнем углу показаны фрагменты радиолокационных изображений, содержащие слик, а также обозначены области, содержащие различные цели: 14 - слик, вызванный разливом небольшого количества (около трех литров) дизельного топлива; 15 - лодочный пирс; 16 - групповая малоразмерная цель (гряда торчащих над водой камней); 17 - движущаяся двухместная резиновая лодка; 18 - одноместная резиновая лодка; 19 - распределенная цель (полоса водорослей - трава).
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ И ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
При радиолокационном зондировании (циклическом обзоре) исследуемого пространства с использованием заявляемой полезной модели решают задачи обнаружения объектов (целей), которые в общем случае разделяют на два вида.
Первый вид - это объекты, отраженные сигналы от которых превышают уровень отраженных сигналов от окружающего фона.
Второй вид - это аномалии, уровень отраженных сигналов от которых ниже уровня отраженных сигналов от окружающего фона. К таким целям относятся, например, вырубки на фоне лесных массивов, участки водной поверхности с выглаженной рябью, так называемые, слики, обусловленные, например, загрязнениями водной поверхности нефтепродуктами [4].
Контраст целей первого вида определяют соотношением
1
ф
где E, Е - средние уровни отражений от цели и от фона соответственно.
При расчете дисперсий отражений контраст цели, определяемый по отношению дисперсий, будет
1
ф
где D, D - дисперсии отражений от цели и от фона соответственно.
Для целей второго вида (аномалий) соответствующие контрасты определяют соотношениями:
2
2
где Е, D - соответственно средний уровень и дисперсия отражений от аномалии.
Согласно полезной модели отображаемые на дополнительном мониторе 10 или на соответствующей части монитора 9 яркость элементов радиолокационных изображений пропорциональна произведению среднего уровня на дисперсию отраженных сигналов в соответствующих элементах разрешения, а контрасты радиолокационных изображений целей определяются соотношениями, учитывающими указанное совместное функциональное преобразование характеристик отраженных сигналов, и определяются формулами:
для первого вида целей
для второго вида целей (аномалий)
В результате те объекты, для которых контраст дисперсий больше единицы, в соответствии с формулами (5) и (6) на радиолокационном изображении дополнительного монитора 10 или на соответствующей части монитора 9 будут иметь больший контраст, чем первичные изображения на мониторе 9 или чем первичные изображения на соответствующей части монитора 9.
К таким объектам относятся надводные цели и неподвижные наземные цели, имеющие движущиеся элементы, например, антенный пост с вращающимися антеннами или стоящий вертолет с вращающимися винтами, а также слики на водной поверхности.
Известно также [5], что контрасты аномалий (сликов) на морской поверхности, определяемые по уровню характеристик отраженных сигналов и по их дисперсиям, приблизительно одинаковы.
E2
D2
2
Е2
2
Следовательно, K≈K, тогда контраст аномалий (сликов) на дополнительном мониторе 10 или на соответствующей части монитора 9 будет К≈(К).
Таким образом, контраст аномалий (сликов) на дополнительном мониторе 10 или на соответствующей части монитора 9 по предлагаемому новому методу функционального преобразования характеристик отраженных сигналов будет приблизительно равен квадрату контраста первичного изображения на мониторе 9 или на соответствующей его части.
Это обеспечивает повышение вероятности обнаружения слика (аномалии) на радиолокационном изображении, следовательно существенно улучшает эксплуатационные характеристики радиолокационной системы.
Стабильные объекты, например, строения, неподвижные цели, уровень отражений от которых выше уровня отражений от фона, имеют малую дисперсию уровня отражений.
Следовательно, контраст дисперсий, а соответственно числитель в формуле (5), для таких целей будет близким к нулю.
Такие цели на дополнительном мониторе 10 или на соответствующей части монитора 9 будут отображаться в виде темных пятен, в то время как на мониторе 9 или на соответствующей части монитора 9 они будут отображаться в виде светлых отметок.
Неподвижные цели, имеющие подвижные элементы, например, антенные посты с вращающимися антеннами или стоящие вертолеты с вращающимися винтами, уровень отражений от которых выше уровня отражений от окружающего фона, имеют в то же время большую дисперсию уровня отраженных от них сигналов.
Такие цели будут отображаться в виде светлых отметок как на мониторе 9, так и на дополнительном мониторе 10, или на обеих частях монитора 9.
Это дает возможность в предлагаемой полезной модели также выделять неподвижные цели, имеющие движущиеся элементы, например, антенные посты с вращающимися антеннами или стоящие вертолеты с вращающимися винтами, чем также улучшаются эксплуатационные характеристики радиолокационной системы.
Заявляемая радиолокационная система конструктивно содержит соединенные линиями связи антенный блок, СВЧ тракт, передающий и приемный модули, блок связи и синхронизации, компьютер, монитор с возможностью формирования радиолокационных изображений или основной и дополнительный монитор.
Заявляемая радиолокационная система функционирует следующим образом:
Антенный блок 1 с приводом и вращающимся переходом обеспечивает циклическое вращательное движение антенны, излучение ею СВЧ-радиоимпульсов и прием отраженных в обратном направлении радиосигналов.
В передающем модуле 2 формируется СВЧ-радиоимпульс заданной длительности, который через направленный ответвитель 11 и циркулятор 12 СВЧ тракта 3 поступает в антенный блок 1 и излучается антенной в пространство.
В передающем модуле формируется также синхроимпульс.
Незначительная часть мощности импульса передатчика через элементы СВЧ тракта 3 направленный ответвитель 11 и аттенюатор 13 подается в приемный модуль 4 для АПЧ гетеродина.
Принятый антенной сигнал через циркулятор 12 СВЧ тракта 3 поступает на вход приемного модуля 4, который обеспечивает защиту приемника от просачивающегося при излучении импульса, усиление принятого СВЧ сигнала, преобразование частоты, усиление сигнала промежуточной частоты, детектирование и усиление видеосигнала.
Блок 5 связи и синхронизации обеспечивает передачу команд управления и контроля к передающему и приемному модулям, а также передачу видеосигнала с выхода приемного модуля 4 через блок 6 сопряжения и коммутации на индикатор 7, а именно на вход компьютера 8 с платой радар-процессора.
Радар-процессор обеспечивает дискретизацию, оцифровку видеосигналов и их передачу в компьютер.
Управление режимами работы радар-процессора осуществляется оператором путем передачи команд через шину компьютера.
Компьютер осуществляет функциональную обработку принятых сигналов и отображение первичной и вторичной информации на мониторе 9 и дополнительном мониторе 10 или на соответствующих частях монитора 9.
Патентуемая радиолокационная система работает следующим образом.
Сформированный в передающем модуле 2 СВЧ-радиоимпульс заданной длительности через направленный ответвитель 11 и циркулятор 12 СВЧ тракта 3 поступает в антенный блок 1 и излучается антенной в пространство.
В передающем модуле формируется также синхроимпульс, передний фронт которого совпадает с передним фронтом излучаемого сигнала, который подается на вход блока 5 связи и синхронизации. Незначительная часть мощности импульса передатчика через направленный ответвитель 11 и аттенюатор 13, входящие в СВЧ тракт 3, подается в приемный модуль 4 для АПЧ гетеродина.
Принятый антенной отраженный сигнал через циркулятор 12 СВЧ тракта 3 поступает на вход приемного модуля 4, на выходе которого получается видеосигнал, соответствующий уровню отражений в заданном направлении зондирования.
Блок 5 связи и синхронизации обеспечивает передачу команд управления и контроля к передающему и приемному модулям, а также передачу видеосигнала с выхода приемного модуля 4 через блок 6 сопряжения и коммутации на индикатор 7, а именно на вход компьютера 8 с платой радар-процессора.
Радар-процессор обеспечивает дискретизацию, оцифровку уровня дискретных отсчетов видеосигналов и их передачу через шину компьютера в компьютер для их дальнейшей обработки.
Управление оператором режимами работы радар-процессора осуществляется путем передачи команд через шину компьютера.
Компьютер осуществляет обработку принятых сигналов, отображение первичной и вторичной информации на мониторе 9 и дополнительном мониторе 10 или на соответствующих частях монитора 9, хранение и трансляцию полученной информации по локальным вычислительным сетям.
При этом первичная информация на мониторе 9 представлена в виде текущего радиолокационного изображения, яркость элементов которого соответствует уровню сигналов, отраженных от объектов локации в соответствующих элементах разрешения.
При обработке отраженных сигналов для каждого элемента разрешения вычисляются характеристик отраженных сигналов: среднее значение и дисперсия, - за устанавливаемое оператором определенное количество циклов обзора исследуемого пространства (оборотов антенны); выполняется одновременное функциональное преобразование характеристик отраженных сигналов от объектов локации в соответствующих элементах разрешения, заключающееся в перемножении среднего уровня и дисперсии отраженных сигналов.
Яркость элементов функционально преобразованного радиолокационного изображения на дополнительном мониторе 10 или на соответствующей части монитора 9 определяется результатом функционального преобразования характеристик сигналов для соответствующих элементов разрешения.
На фиг.3 - пример радиолокационного изображения, полученного за один цикл обзора (один оборот антенны), на основном мониторе 9 (яркость элементов радиолокационного изображения пропорциональна уровню отраженных сигналов).
На фиг.4 - пример радиолокационного изображения на основном мониторе после накопления за 20 циклов обзора (оборотов антенны), яркость элементов радиолокационного изображения пропорциональна среднему уровню отраженных сигналов.
На фиг.5 - пример радиолокационного изображения на дополнительном мониторе после накопления за 20 циклов обзора (яркость элементов радиолокационного изображения пропорциональна произведению среднего уровня отражений на дисперсию отраженных сигналов).
Средний уровень и дисперсия отраженных сигналов рассчитывались для 20 оборотов антенны.
На фиг.3, фиг.4, фиг.5 в левом нижнем углу показаны фрагменты радиолокационных изображений, содержащие слик, а также обозначены области, содержащие различные цели: 14 - слик, вызванный разливом небольшого количества (около трех литров) дизельного топлива; 15 - лодочный пирс; 16 - групповая малоразмерная цель (гряда торчащих над водой камней); 17 - движущаяся двухместная резиновая лодка; 18 - одноместная резиновая лодка; 19 - распределенная цель (полоса водорослей - трава).
Анализ приведенных на фиг.3, фиг.4 и фиг.5 радиолокационных изображений показывает, что на дополнительном мониторе уровень контраста целей на поверхности моря (слика 14, двухместной резиновой лодки 17, одноместной резиновой лодки 18, полосы водорослей 19) обеспечивает их уверенное визуальное наблюдение, в то время как на основном мониторе выделение указанных целей затруднительно.
Пирс 15, являющийся стационарной целью с малой дисперсией уровня отражений, на основном мониторе отображается светлой отметкой, а на дополнительном мониторе - в виде темного пятна.
Это подтверждает возможность выделения с помощью предлагаемой полезной модели стационарных (неподвижных) целей как результат учета различий флуктуационных характеристик (дисперсии уровня отражений) сигналов, отраженных такими целями.
Таким образом, приведенные данные показывают, что предлагаемая полезная модель обеспечивает существенное улучшение эксплуатационных характеристик радиолокационной системы, а именно позволяет формировать и наблюдать контрастные радиолокационные изображения при обнаружении целей с малым отношением уровня сигналов, отраженных от цели, к уровню сигналов, отраженных от окружающего фона, или малым отношением уровня сигналов, отраженных от фона, к уровню сигналов, отраженных от интересующего объекта сигналов, например таких как плохо различимые обычными радиолокационными системами резиновые лодки или аномалии в виде разливов нефтепродуктов, а также позволяет выделять неподвижные цели, имеющие движущиеся элементы, например антенные посты с вращающимися антеннами или стоящие вертолеты с вращающимися винтами.
Отдельные блоки и узлы заявляемой радиолокационной системы могут быть выполнены из известных и обычно используемых в радиолокационной технике материалов и деталей.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Байрашевский A.M., Ничипоренко Н.Т. Судовые радиолокационные системы. - М.: Транспорт, 1982, с.294-305.
2. RU Патент №2155354, G01S 13/08, опубликовано 27.08.2000 (прототип).
3. Артюшин Л.Ф. Контраст фотографического изображения // Фотокинотехника: Энциклопедия / Главный редактор Е.А.Иофис - М.: Советская энциклопедия, 1981.
4. Иванов А.Ю. Слики и пленочные образования на космических радиолокационных изображениях // Исследования Земли из космоса. 2007, №3, с.73-96.
5. Волков A.M., Ефимов В.Б., Курекин А.С. и др. Радиолокационные исследования неоднородностей поверхности океана // Успехи современной радиоэлектроники. 2003, №10, с.41-53.