СПОСОБ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ОБЪЕКТАМИ НА ПОВЕРХНОСТИ БОРТОВОЙ РАДИОТЕПЛОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИЕЙ, СОВМЕЩЕННОЙ С РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИЕЙ
METHOD FOR SURFACE OBSERVATION BY ONBOARD RADIO-IR-RADAR CONNECTED WITH RADAR

Изобретение относится к бортовым системам пассивной и активной радиолокации миллиметрового диапазона, работающим совместно при наблюдении и распознавании неподвижных объектов на поверхности.
При решении задач обнаружения и распознавания объектов в условиях отсутствия оптической видимости используются системы пассивного и активного радиовидения миллиметрового диапазона [1, 2]. Пассивные системы на базе бортовой радиотеплолокационной станции (РТЛС) позволяют формировать двумерное радиотеплолокационное изображения (РТЛИ) наземной или воздушной обстановки в угловых координатах азимута и угла места. Активные системы на базе радиолокационной станции (РЛС) позволяют формировать двумерное и трехмерное радиолокационное изображение (РЛИ) в различных режимах синтезирования апертуры антенны: на основе многоканальной обработки с помощью антенной решетки или сканирующей антенны, а также узкополосной доплеровской фильтрации. При этом РЛС имеет преимущество в разрешающей способности по угловым координатам и возможность измерения дальности. В свою очередь, РТЛС имеет преимущество скрытности. Учитывая, что качество РЛИ выше, чем РТЛИ, целесообразна совместная работа РТЛС и РЛС. Однако существующие способы наблюдения за объектами, описанные в литературе, не предусматривают совместной работы РТЛС и РЛС. В связи с этим возникает необходимость комплексирования работы РТЛС и РЛС при обнаружении и распознавании объектов.
Наиболее близким по технической сущности является способ формирования двумерного РЛИ [3], который применим также для формирования двумерного РТЛИ (например, [1]) и заключается в следующем.
q
1. Многоканальная или сканирующая антенна принимает совокупность сигналов S(t), , каждый из которых имеет смысл суммарного сигнала от точечных излучателей - элементов дискретизации поверхности в зоне обзора по ширине диаграммы направленности антенны (ДНА) в момент времени t.
µ
q
µ
2. После прохождения тракта первичной обработки в дискретные µ-е моменты времени t выделяются амплитуды сигналов в действительной или комплексной форме (в зависимости от режимов обработки: без учета или с учетом фазы сигнала) s(t), , удовлетворяющие следующей модели:
q
µ
q
µ
где g(i,j) - нормированные коэффициенты ДНА в q-м приемном элементе (или при q-м положении сканирующей антенны); u*(t,i,j) - искомые амплитуды поля излучения в i,j-x элементах дискретизации угла места и азимута; p(t) - некоррелированные центрированные помехи типа белого шума.
q
µ
µ
µ
3. Измерения s(t) умножаются на весовые коэффициенты, а результаты умножения суммируются, тем самым вычисляются оценки u(t,i,j) амплитуд u*(t,i,j):
q
где w(i,j) - весовые коэффициенты, вычисляемые заранее в соответствии с методом наименьших квадратов (МНК) при Q>MN. Если Q≤MN, то используется регуляризованный МНК [3].
4. Совокупность оценок (2) представляет восстановленное изображение поверхности по ширине MxN-ДНА в координатах угла места (по i) и азимута (по j) на уровне 0,5 мощности (M=2m+1, N=2n+2).
µ
5. Операции п.п.1-4 повторяются при различных положениях антенны. В результате формируется матрица амплитуд U с элементами u(t,i,j), , , I>M, J>N, представляющая изображение поля излучения в его проекции на плоскость, перпендикулярную линии визирования антенны.
Такой способ позволяет обнаруживать объекты по их радиотепловому изображению, однако обладает следующими недостатками.
1. В силу малой мощности радиотеплового излучения, имеющего шумовой характер, разрешающая способность РТЛИ по угловым координатам ниже, чем разрешающая способность РЛИ, и соответственно ниже вероятность детального распознавания объекта.
2. Двумерное РТЛИ не несет в себе информацию о дальности до объекта или его высоте на поверхности, что снижает безопасность маловысотных полетов и уменьшает вероятность распознавания объекта.
3. Для измерения дальности в РТЛС требуется многократное повторение измерений при различных пространственных положениях РТЛС, в то время как в РЛС дальность измеряется сразу по задержке отраженного сигнала.
Технический результат направлен на повышение разрешающей способности изображения объекта наблюдения и улучшение характеристик его распознавания.
µ
µ
µ
Предлагаемое техническое решение достигается тем, что способ наблюдения за объектами на поверхности бортовой РТЛС, совмещенной с РЛС, заключается в том, что с помощью РТЛС в текущие дискретные моменты времени t, µ=1, 2, …, формируют двумерное изображение поверхности в виде матрицы U амплитуд поля излучения u(t,i,j) в i, j-x элементах дискретизации угла места и азимута, и на полученном изображении выделяют подобласть прямоугольной формы - строб, включающий в себя радиотепловое изображение наблюдаемого объекта, подлежащего распознаванию,
µ
отличающийся тем, что в соседних стробах в моменты времени µ=1, 2, … определяют векторы, указывающие направление на объект и углы между векторами, на этих же промежутках времени определяют вектор перемещения носителя РТЛС на основе данных его навигационной системы, с помощью углов между векторами и по известной длине вектора перемещения носителя РТЛС измеряют дальность до объекта, затем, в текущий момент времени t, при достижении дальности до объекта заданной величины, включают в работу РЛС, пересчитывают радиотепловое изображение объекта в систему координат режима работы РЛС и продолжают наблюдение за объектом, при этом в РЛС формируют трехмерное изображение объекта и осуществляют его распознавание.
Способ алгоритмически осуществляется следующим образом.
µ
µ
µ
1. При наблюдении РТЛС поверхности в дискретные моменты времени t, µ=1, 2, …, формируются матрицы U амплитудного изображения зоны обзора с элементами u(t,i,j), , , в соответствии с описанием (2).
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2. В начальный момент времени t в матрице U выделяется изображение наблюдаемого объекта, которое помещается (вписывается) в mxn - строб прямоугольной формы: u(t,i,j), , , с центром (i,j). На основе угловых координат центра (i,j): азимута φ и угла места θ вычисляются в антенной прямоугольной системе х, y, z координаты единичного вектора , направленного в момент t на объект:
.
2
2
3. В следующий момент времени t операции п.2 повторяются, и вычисляется вектор , направленный на тот же объект в момент времени t:
.
1
2
2
2
2
2
4. На основе данных навигационной системы об углах поворота осей α, β, γ и приращениях параллельного переноса ΔxΔy, Δz составляется вектор  перемещения РТЛС на промежутке [t,t], и пересчитываются координаты вектора  в систему х, y, z на момент времени t:
.
Получается вектор .
1
2
1
2
5. С помощью скалярного произведения находятся косинусы внутренних углов α, β, γ (γ=π-α-β) треугольника, построенного на векторах , , , и по теореме синусов определяются дальности R,R РТЛС до объекта наблюдения в моменты времени t,t:
, , ,
⇒ , .
3
4
µ
3
4
µ
6. В последующие моменты времени t, t, …, t операции п.п.2-5 повторяются и определяются дальности до объекта R, R, …,R.
µ
µ
µ
µ
7. Если в текущий момент времени t дальность до объекта R достигает заданной величины, то РТЛИ U переписывается в амплитудное РЛИ А в системе координат РЛС согласно режиму работы РЛС. При этом для многоканальной или сканирующей РЛС, работающей в режиме восстановления изображения поверхности в координатах угол места - азимут - дальность, выполняются следующие операции.
µ
C
C
µ
7.1. Меняется масштаб РТЛИ в µ-м стробе u(t,i,j)=u(i,j), , , по i,j-м координатам (по углу места и азимуту), т.е. изображение в одной прямоугольной сетке разбиения координат переписывается в изображение в другой прямоугольной сетке угловых координат. В результате получается строб РЛИ A(t,i',j'), , , изображение которого передается РЛС.
µ
µ+1
7.2. В момент t включается в работу РЛС и к моменту t формируется амплитудное РЛИ зоны обзора в элементах дискретизации i,j-x угловых координат и в k-x элементах разрешения дальности: A(i,j,k), , , . Для восстановления РЛИ в i-x элементах дальности, так же как для РТЛС, используется способ [4], т.е. формулы (1), (2) с той разницей, что в РЛС отношение сигнал-шум выше, чем в РТЛС, и соответственно выше разрешающая способность изображения.
i
j
k
7.3. Далее совокупность оценок амплитуд A(i,j,k) пересчитывается в матрицу A(i,j), элементами которой являются максимальные по k значения амплитуд A(i, j, k), взятые на промежутке времени t приема отраженных сигналов, при этом дополнительно формируется матрица R(ij) радиальных дальностей в координатах θ,φ,R РЛС. Амплитудное изображение A(i,j) соответствует оптическому восприятию наблюдателя (пилота летательного аппарата-носителя РЛС). Наличие матрицы дальностей R(i,j) несет дополнительную информацию, повышающую вероятность распознавания объекта.
C
µ
7.4. Далее полученное трехмерное РЛИ A(i,j), R(i,j) вместе с ранее выделенным стробом A(t,i',j') передается на алгоритмы распознавания.
8. Для РЛС, работающей в режиме узкополосной доплеровской фильтрации при наблюдении поверхности в координатах дальность - доплеровская частота, выполняются следующие операции.
i
j
8.1. Вводится прямоугольная сетка по i и j (по дальности и частоте). Координаты θ, φ, центра каждого i, j-го элемента строба РТЛИ пересчитываются в координаты R, f (дальность, частота) по формулам:
i
j
i
где h - высота полета носителя РЛС; ν - скорость движения носителя; λ - длина волны РЛС; ψ - угол между вектором  скорости носителя и принимаемым лучом отражения от i,j-го элемента поверхности с угловыми координатами θ, φ, причем косинусы указанных углов связаны между собой уравнением линии доплеровского элемента разрешения [4]. Угол места θ, отсчитывается от горизонтальной плоскости движения носителя.
C
C
i
j
i'
j'
C
C
8.2. Для вычисленных по формуле (3) значений R, φ определяются соответствующие им номера i', j' элементов матрицы РЛИ, в которые записывается амплитуда i,j-го элемента строба РТЛИ u(i,j). По совокупности всех значений i,j, пересчитанных в i',j', получается строб РЛИ с элементами A(i',j'). Учитывая возможную неоднозначность преобразования θ, φ в R,f, в элементах A(i',j') запоминается максимальная амплитуда. В незаполненных элементах A(i',j') остаются нулевые значения амплитуды.
µ
µ+1
C
8.3. В момент t включается в работу РЛС и к моменту t формируется двумерное амплитудное РЛИ зоны обзора в i,j-x элементах разрешения дальности и доплеровской частоты A(i,j), , , которое вместе с полученным стробом A(i',j') передается на алгоритмы распознавания РЛИ.
9. Предусматривается режим, когда наблюдение за поверхностью начинает РЛС. При этом выполняются следующие операции.
µ
C
9.1. В момент времени t формируется РЛИ A(i,j), R(i,j), на основании которого решается задача обнаружения и распознавания объекта наблюдения. Затем выделяется строб A(i,j) с изображением объекта в координатах угол места - азимут или дальность - частота в зависимости от режима работы РЛС.
C
C
9.2. Далее РЛИ A(i,j) в соответствии с вышеизложенным алгоритмом пересчитывается в РТЛИ u(i',j').
i
j
9.3. В режиме доплеровской фильтрации на основе R, f из (3) вычисляются θ, φ:
C
C
и определяются соответствующие им номера i', j' матрицы РТЛИ, в которые переписываются значения i,j-x элементов строба РЛИ A(i,j). Полученный строб РТЛИ u(i',j') используется для дальнейшего наблюдения объекта.
10. Для того чтобы избежать неточностей измерения высоты h в формуле (4), один из углов θ или φ измеряется моноимпульсным способом [5, с.95-105] в каждом i-м элементе дальности, а второй угол φ или θ вычисляется:
.
Предложенный способ позволяет за счет комплексирования работы РТЛС и РЛС более эффективно решать задачи обнаружения и распознавания изображений объектов на поверхности за счет соединения тактических преимуществ РТЛС и характеристик РЛС.
Литература
1. Пирогов Ю.А., Тимановский А.Л. Сверхразрешение в системах пассивного радиовидения миллиметрового диапазона // Радиотехника. 2006 №3. С.14-19.
2. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов. / Под ред. Г.С.Кондратенкова. - М.: "Радиотехника", 2005. 368 с.
3. Патент RU 2292060 С1. Способ наблюдения за воздушными объектами и поверхностью на базе бортовой РЛС. / В.К.Клочко. МПК: G01S 13/02. Приоритет 28.06.2005. Опубл.: 20.01.2007. Бюл. №2.
4. Клочко В.К. Методика определения координат доплеровских элементов разрешения при получении трехмерных изображений поверхности // Автометрия. 2002. №6. С.12-20.
5. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1984. 312 с.