СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ВОЗДУШНЫХ ОБЪЕКТОВ ПО СТРУКТУРЕ ДАЛЬНОСТНОГО ПОРТРЕТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF IDENTIFYING AERIAL OBJECTS AS PER STRUCTURE OF RANGE PORTRAIT AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Группа изобретений относится к радиолокации и может использоваться для распознавания воздушных целей с помощью радиолокатора, использующего сверхширокополосный ЛЧМ зондирующий сигнал.
Известны способ и устройство (РЛС распознавания целей: пат. №2095825 Рос. Федерация. №96106040/09; заявл. 29.03.1996; опубл. 10.11.1997). Способ заключается в сравнении дальностного портрета с эталонным методом наличия импульсного отклика в определенном элементе разрешения.
Устройство для реализации данного способа содержит антенну и приемопередающий тракт, запоминающее устройство, банк эталонных импульсов в определенных элементах разрешения и устройство сравнения.
Недостатком этого способа и устройства для его осуществления является то, что при идентификации проверяется только факт наличия импульсного отклика в определенном элементе разрешения.
Известны также способ и устройство (Устройство идентификации воздушных объектов по структуре дальностного портрета: пат. №2513041 Рос. Федерация. №2012121473/07; заявл. 24.05.2012; опубл. 20.04.2014. Бюл. №11). Способ заключается в сравнении дальностного портрета с эталонным методом наличия импульсного отклика с учетом его амплитуды в определенном элементе разрешения.
Устройство для реализации данного способа также содержит антенну и приемопередающий тракт, многоразрядное запоминающее устройство, банк эталонных импульсов с учетом их амплитуды в определенных элементах разрешения и устройство сравнения.
Недостатком этого способа является то, что при идентификации не учитываются фазовые характеристики импульсных откликов в структуре дальностного портрета.
Недостатком этого устройства является то, что в базе данных должно содержаться большое количество эталонных портретов каждого класса разной амплитуды с учетом входных шумов, наличие которых при данном построении также приводит к увеличению базы данных. Это обусловлено тем, что при квантовании сигнала с шумами, последние при оптимальной обработке должны занимать три кванта (Фисенко В.Т., Фисенко Т.Ю. Компьютерная обработка и распознавание изображений: учеб. пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. С. 40-42).
Техническим результатом группы изобретений является повышение достоверности идентификации воздушных объектов за счет оптимального накопления и определения усредненного отличия дальностного портрета с учетом шумов от эталонного портрета.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе идентификации воздушных объектов по структуре дальностного портрета последовательным сравнением амплитуды дальностного портрета с эталонными портретами дополнительно сравнивается его фазовая характеристика с эталонными фазовыми характеристиками за счет квадратурной свертки в оптимальном накопителе. Выделяется максимальное значение модуля свертки, относительно которого симметрично суммируются выборки с противоположным знаком и усредняются. Превышение первого порога максимальным значением выделяет полезные сигналы на фоне шумов, а сравнение второго порога с усредненным значением идентифицирует совпадение дальностного портрета с эталоном.
В устройстве для осуществления способа указанный технический результат достигается тем, что в устройство идентификации воздушных объектов по структуре дальностного портрета, содержащее передатчик (ПрД), последовательно включенные антенну, антенный переключатель (АП), усилитель высокой частоты (УВЧ), смеситель (СМ), усилитель промежуточной частоты (УПЧ), а также аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой фильтр сжатия (ЦФС), основной гетеродин (О-Гет), цифровое устройство управления (ЦУУ), измеритель дальности и ракурса (ИДР), оперативно запоминающее устройство (ОЗУ), блок эталонных портретов (БЭП) и амплитудный детектор (АД) дополнительно введены цифровой приемник промежуточной частоты (ЦППЧ), вход которого соединен с выходом АЦП, а выход с входам ЦФС, последовательно включенные вспомогательный гетеродин (В-Гет), квадратурный умножитель (КвУ), второй вход которого соединен с выходом ЦФС, цифровой весовой фильтр (ЦВФ), выход которого соединен с входами ОЗУ и ИДР, устройство свертки сигналов эталона и портрета (СЭП), входы которого подключены к выходам ОЗУ и БЭП, а выход к АД, выход которого подключен к входу устройства выбора максимального значения (МАХ) и информационному входу блока среднего отклонения от симметрии (СОС), выход адреса максимального значения подключен к адресному входу СОС, а выход максимального значения к информационному входу порогового устройства обнаружения (ПУО), выход СОС подключен к информационному входу порогового устройства распознавания (ПУР), вход признака эталона которого подключен к БЭП, выходы ПУО и ПУР подключены к входам устройства принятия решений (УПР), выход которого является выходом устройства идентификации, при этом выход направления движения (ракурс) устройства ИДР подключен к БЭП, а выход дальности соединен с синхронизирующим входом ЦУУ, выходы которого подключены к управляющим входам О-Гет и В-Гет.
Поясним суть изобретения.
Согласно изобретению в зоне ожидания отраженного сверхширокополосного ЛЧМ сигнала по целеуказанию ИДР посредством ЦУУ на О-Гет поступает команда, по которой О-Гет формирует ЛЧМ сигнал. После ЛЧМ гетеродинирования совокупности отраженных ЛЧМ импульсов, отраженных от распознаваемой цели, у них частично снимается девиация, а центральные частоты смещаются по линейному закону (Щербаков B.C.. Корреляционно-фильтровой метод обработки сверхширокополосных ЛЧМ сигналов. Журнал радиоэлектроники. 2018. №2. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/feb18/11/text.pdf). Далее оцифрованный на ПЧ сигнал поступает в ЦППЧ, где выделяются квадратурные дискретные выборки (Справочник по радиолокации. / Под ред. М.И. Сколника. Пер. с англ. под общей ред. B.C. Вербы. В 2 книгах. Книга 2. Москва: Техносфера, 2014. С. 1274).
После обработки в ЦФС ЛЧМ сигналы сжимаются каждый на своей центральной частоте, и трансформируются по дистанции. Учитывая, что время обработки в тракте известно, формирование ЛЧМ сигналов в О-Гет и В-Гет синхронизировано, поэтому после квадратурного умножения частотные расстройки центральных частот сжатых ЛЧМ сигналов компенсируются, а в ЦВФ снижается уровень боковых лепестков сжатых ЛЧМ сигналов. Таким образом, выделяется структура дальностного портрета, в которой учтено амплитудно-фазовое распределение интенсивности блестящих точек по дальности для конкретной цели на определенном ракурсе. Эта информация записывается в ОЗУ для дальнейшей обработки.
Кроме этого, с ИДР информация о ракурсе цели поступает на БЭП, с которого последовательно считываются квадратурные эталоны всех целей данного ракурса и поступают на СЭП, где осуществляется квадратурная свертка их с дальностным портретом цели, начальная фаза которого неизвестна. В результате свертки сигнала с эталоном собственной копии на выходе СЭП, независимо от начальной фазы сигнала, будет максимальное отношение сигнал/шум, такая обработка называется оптимальной (Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983. с. 81, рис. 2.7). Кроме того, данная функция называется автокорреляционной и является симметричной относительно максимального значения (Трухачев А.А. Радиолокационные сигналы и их применение. М.: Воениздат, 2005. С. 108), а свертка сигнала с другим эталонным портретом не будет оптимальной и симметричной.
Последовательность сверток через АД поступает на МАХ и информационный вход СОС. Для каждого модуля свертки определяется максимальное значение и его адрес, при этом максимальное значение поступает на ПУО, а его адрес на адресный вход СОС, в котором относительно этого адреса выполняется симметричное вычитание и усреднение модуля этих значений. С выхода СОС усредненный результат вычитания симметричных значений поступает на информационный вход ПУР, а на другой вход с БЭП поступает код эталона. В результате сравнения в ПУР и ПУО формируются признаки, по которым в УПР принимается решение о идентификации дальностного портрета с определенным эталоном или отказ от идентификации, т.е. цель не определена. Результат идентификации может быть сформирован в виде символа или аббревиатуры, например Б - бомбардировщик, И - истребитель, Р - ракета и X - цель не определена, который отображается около душки распознаваемой цели и в формуляре.
Согласно заявляемому способу с учетом амплитудно-фазового распределения интенсивности блестящих точек по дальности и ракурса распознаваемой цели методом моделирования выполнялась идентификация трех целей: бомбардировщик, истребитель и ракета, для разных отношений сигнал/шум: 24 дБ, 18 дБ и 12 дБ. При этом порог обнаружения задан на уровне 12 дБ, а порог распознавания из вероятности правильной идентификации Р = 0,9. Качество распознавания для каждого отношения сигнал/шум представлено в виде матрицы условных вероятностей, в каждом элементе которой расположены вероятности идентификации отраженного сигнала с соответствующим эталоном. В данном примере введены обозначения: прописными символами отмечены сигналы эталонов, а строчными сигналы, отраженные от соответствующих воздушных объектов с шумами.
Охарактеризованная указанными выше существенными признаками группа изобретений на дату подачи заявки не известна в Российской Федерации и за границей и отвечает требованиям критерия "новизна".
Заявителем не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с совокупностями отличительных признаков заявляемых изобретений, обеспечивающих достижение заявляемого технического результата, в связи с чем, можно сделать вывод о соответствии изобретений условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Изобретения могут быть реализованы промышленным способом с использованием известных технических средств, технологий и материалов и соответствуют требованиям условия патентоспособности "промышленная применимость".
Изобретения поясняются графическими материалами, где на фиг. 1 изображена структурная схема идентификации воздушных объектов по структуре дальностного портрета, на фиг. 2, 3 и 4 условные модули амплитудно-фазовых распределений интенсивностей блестящих точек для бомбардировщика, истребителя и ракеты соответственно. На фиг. 5 модуль результата свертки сигнала, отраженного от бомбардировщика с собственной эталонной копией, а на фиг. 6 модуль результата свертки сигнала, отраженного от бомбардировщика с эталонной копией истребителя.
мах
мах
Устройство идентификации воздушных объектов по структуре дальностного портрета работает следующим образом. В передатчике 1 периодически формируется широкополосный ЛЧМ сигнал, который через антенный переключатель 3 и приемопередающую антенну 2 излучается в пространство. Совокупность отраженных сигналов от блестящих точек воздушного объекта, распределенных по дальности с соответствующими интенсивностями, в обратном порядке через антенну 1 и антенный переключатель 2 поступают на вход усилителя высокой частоты 4, где они усиливаются и поступают на первый вход смесителя 5. В это же время в зоне ожидания отраженного сигнала, в основном гетеродине 9 через цифровое устройство управления 10 по целеуказанию с измерителя дальности и ракурса 11 формируется широкополосный ЛЧМ сигнал, который перекрывает по длительности отраженный сигнал и поступает на второй вход смесителя 5. На выходе смесителя на промежуточной частоте выделяется совокупность отраженных ЛЧМ сигналов, у которых частично снята девиация, а центральные частоты смещены по линейному закону и поступают на вход усилителя промежуточной частоты 6. Усиленная совокупность ЛЧМ сигналов поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 7, в котором осуществляется квантование дискретных выборок, и с его выхода поступает на вход цифрового приемника промежуточной частоты 15, в котором выделяются квадратурные составляющие. Квадратурные составляющие совокупности ЛЧМ сигналов поступают на вход цифрового фильтра сжатия 8, в котором осуществляется их трансформация по дистанции и сжатие, каждого на своей центральной частоте из-за смещения центральных частот в результате ЛЧМ гетеродинирования. Совокупность сжатых ЛЧМ сигналов поступает на первый вход квадратурного умножителя 17, на второй вход которого с вспомогательного гетеродина поступает ЛЧМ сигнал со знаком девиации, обратным частотным расстройкам сжатых ЛЧМ сигналов. В результате этого на выходе квадратурного умножителя совокупность сжатых ЛЧМ сигналов будут сосредоточены в одной полосе. Эти сигналы поступают на вход весового фильтра 18, в котором снижается уровень боковых лепестков сжатых ЛЧМ сигналов и ограничивается их полоса. Выделенные таким образом сигналы, с учетом амплитудно-фазового распределения интенсивности блестящих точек по дальности на известном ракурсе, записываются в оперативно-запоминающее устройство 12, с выхода которого синхронно с эталонами целей этого же ракурса поступают на входы свертки эталонов с портретами 19. Информация о ракурсе на вход блока эталонных портретов 13 поступает с измерителя дальности и ракурса 11. Результат свертки поступает на вход амплитудного детектора 14, в котором вычисляются модули сверток отраженного сигнала с каждым эталоном известного ракурса. При этом модуль результата свертки сигнала с собственной копией отвечает требованию оптимальной обработки и является симметричной функцией, как показано на фиг. 5 для бомбардировщика. В это же время модуль результата свертки сигнала, отраженного от бомбардировщика, с копией истребителя не является оптимальным, а функция не симметрична, как показано на фиг. 6. С выхода амплитудного детектора результаты сверток параллельно поступают на устройство выбора максимального значения 20 и блок среднего отклонения от симметрии 21. При этом выбранное максимальное значение U поступает на вход порогового обнаружителя 23, а его адрес N на адресный вход среднего отклонения от симметрии. В блоке среднего отклонения от симметрии относительно адреса максимального значения выполняется симметричное сложение выборок с противоположным знаком и усреднение их по модулю
Усредненный по модулю результат поступает на информационный вход порогового устройства распознавания 22, на другой его вход поступает код распознаваемого воздушного объекта. В пороговых устройствах 22 и 23 формируются признаки идентификации объекта и обнаружения соответственно, которые поступают на устройство принятия решений 24, с выхода которого выдается код объекта или невозможность его идентифицировать.