Устройство обнаружения объектов по дальностному портрету с многоуровневым квантованием

Полезная модель относится к устройствам автоматизированного обнаружения надводных и наземных целей в присутствии мешающих отражений от подстилающих поверхностей (взволнованной водной акватории) и объектов, не являющихся объектами локации. Устройство предназначено для обеспечения обнаружения надводных и наземных целей на фоне мощных отражений от подстилающих поверхностей и мешающих объектов с заданной вероятностью обнаружения при использовании радиолокационных дальностных портретов (РЛДП) (распределение интенсивности отраженного сигнала от объекта вдоль линии визирования, соответствующее дискретному элементу разрешения РЛС по дальности) объектов локации, формируемых радиолокационными станциями (РЛС) с высокой разрешающей способностью по дальности (порядка 1,0-0,15 м).
Предполагаемая полезная модель может найти применение для решения задач обеспечения навигационной безопасности судовождения.
В настоящее время реализация задач эффективного управления судном требует уверенного обнаружения объектов локации в водной акватории на фоне мощных мешающих отражений от взволнованной водной поверхности.
Наиболее известны и распространены методы обнаружения надводных объектов по энергетическим параметрам, суть которых заключается в вычислении соотношения мощностей отраженного сигнала от цели к мощности шумовой помехи и отраженного сигнала от фона (отношения «сигнал от цели/шум+фон») и принятии решения об обнаружении цели при превышении заданного порогового уровня.
Так в [1] рассматривается решение, в котором для обнаружения целей применяется формирование на основе произведенных наблюдений оценок неизвестных параметров сигналов и помех или их распределений.
В [2] рассматривается приемное устройство РЛС с импульсными сверхширокополосных радиосигналами, по структуре представляющее собой линейный широкополосный усилитель.
Известен обнаружитель радиолокационных сигналов [3], основанный на задержке принятого сигнала с последующим вычитанием.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ адаптивного цифрового обнаружения сигналов [4], заключающийся в том, что осуществляется аналого-цифровое преобразование сигнала, вычисляются комплексные корреляционные суммы выборки сигнала и опорных квадратурных сигналов в элементах разрешения в области обнаружения, определяется для каждого окна порог обнаружения, по результатам анализа которого принимается решение о наличии цели в элементе разрешения.
Однако, как правило, во всех этих устройствах и способах рассматриваются энергетические, спектральные и амплитудные признаки, которые подвергаются значительным флуктуациям и существенно зависят от дальности до цели, что приводит к снижению достоверности обнаружения. Применение поляризационных методов обнаружения требует существенного усложнения конструкции РЛС.
И, самое главное, все эти методы и устройства эффективно функционируют при значительном превышении - на 13-14 дБ, - уровня сигнала от цели на уровнем суммарного сигнала «шум+фон», что технически трудно обеспечить.
При этом обнаруживаемые цели (крупнотоннажные судна, яхты) и мешающие объекты (кустарниковая растительность, топляк, волнение водной поверхности) существенно различаются по своей радиальной протяженности.
Из уровня техники известно, что при большой полосе частот зондирующих сигналов со сплошным спектром (широкополосные сигналы), а в ряде случаев и с дискретным спектром (многочастотные сигналы) удается раздельно наблюдать элементы целей вдоль линии визирования и наблюдать их РЛДП. При полосах частот зондирующих сигналов ΔF=30…3000 МГц можно обеспечить согласованную разрешающую способность по дальности порядка 1,0-0,15 м, что позволяет получать РЛДП надводных, воздушных, космических и других целей различной протяженности.
При этом в основу обнаружения целей в качестве информативного признака обнаружения может быть положен размер цели. Он измеряется по некоторому уровню от максимума РЛДП либо по максимуму корреляционной функции с эталонными сигналами прямоугольной формы различной протяженности [5].
Именно определение размера цели может быть положено в основу предлагаемого устройства автоматизированного обнаружения: при превышении вычисленного размера над пороговым значением принимается решение о наличии цели в элементе разрешения, в противном случае принимается решение об отсутствии цели. При этом требования к уровню отношения «сигнал от цели/шум+фон» существенно ниже, чем при традиционных методах обнаружения.
Задачей предполагаемой полезной модели является создание устройства автоматизированного обнаружения морских и речных судов различного тоннажа, на фоне мощных мешающих отражений от взволнованной водной поверхности с повышенным уровнем вероятности обнаружения за счет использования дальностных портретов с многоуровневым квантованием, формируемых с помощью РЛС с высокой разрешающей способностью по дальности.
Технический результат при использовании настоящей полезной модели заключается в повышении вероятности обнаружения малоразмерных надводных целей.
por
Поставленная задача с достижением упомянутого выше технического результата предусматривает, что предлагаемое в качестве полезной модели устройство обнаружения объектов по дальностному портрету с многоуровневым квантованием содержит последовательно соединенные блок автоматической стабилизации порога обнаружения, амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь, генератор тактовых импульсов, регистр сдвига, параллельный регистр и индикатор. Особенностью данного устройства является то, что оно с целью обнаружения объектов с заданными вероятностями дополнительно содержит корреляционный фильтр, формирователь эталонных сигналов целей, формирователь эталонных сигналов мешающих объектов и пороговый элемент, причем на второй вход корреляционного фильтра поступают сигналы эталонов радиолокационных дальностных портретов целей с формирователя эталонных сигналов целей, на третий вход корреляционного фильтра поступают сигналы эталонов мешающих объектов с формирователя эталонных сигналов мешающих объектов и оцифрованные сигналы с выхода регистра сдвига, которые подаются на первый вход корреляционного фильтра, с выхода которого значение коэффициента корреляции передается на первый вход порогового элемента, на второй и третий входы которого поступают тактовые импульсы и подаются пороговые напряжения U, величина которых определяется в соответствии с заданными вероятностями обнаружения и ложной тревоги. С выхода порогового элемента сигнал об обнаружении целей поступает на последовательно соединенные параллельный регистр и индикатор.
Сущность полезной модели поясняется структурной схемой устройства обнаружения объектов по дальностному портрету с многоуровневым квантованием, приведенной на фиг. 1, состав которой включает:
1 - блок автоматической стабилизации порога обнаружения;
2 - амплитудный детектор;
3 - генератор тактовых импульсов;
4 - аналого-цифровой преобразователь;
5 - регистр сдвига;
6 - формирователь эталонных сигналов целей;
7 - формирователь эталонных сигналов мешающих объектов;
8 - корреляционный фильтр;
9 - пороговый элемент;
10 - параллельный регистр;
11 - индикатор.
Устройство функционирует следующим образом.
На вход блока (1) автоматической стабилизации порога обнаружения поступает аддитивная смесь сигнала и шума с выхода приемника. Амплитудный детектор 2 выделяет огибающую отраженного сигнала . С помощью аналого-цифрового преобразователя (4) и генератора (3) тактовых импульсов осуществляется аналого-цифровое преобразование сигнала по нескольким уровням.
ц max
Оцифрованный сигнал с выхода аналого-цифрового преобразователя (4) поступает на информационный вход регистра (5) сдвига, в котором по каждому тактовому импульсу осуществляется сдвиг поступивших сигналов. Число информационных выходов регистра (5) сдвига выбирается из соотношения радиальной протяженности наиболее крупноразмерной обнаруживаемой цели l к разрешающей способности РЛС по дальности:
где с - скорость электромагнитных волн в свободном пространстве;
ti
T - период повторения тактовых импульсов.
1
N
В каждом такте сигнал с выхода регистра (5) сдвига (S,…S) поступает на первый вход корреляционного фильтра (8). На второй и третий входы корреляционного фильтра (8) подаются, в соответствии с априорными сведениями о портретах эталонов, многоуровневые оцифрованные сигналы обобщенных РЛДП целей и мешающих объектов с выходов формирователя эталонных сигналов целей (6) и формирователя эталонных сигналов мешающих объектов (7) соответственно.
В корреляционном фильтре (8), в качестве импульсной характеристики которого используется обобщенный эталонный портрет целей, определяется степень (коэффициент) корреляции между РЛДП обнаруживаемой цели и РЛДП эталонов целей и мешающих объектов.
por
Полученное значение коэффициента корреляции с выхода корреляционного фильтра (8) передается на первый вход порогового элемента (9), на второй и третий входы которого поступают тактовые импульсы и подаются пороговые напряжения U. По результатам сравнения с пороговыми напряжениями в пороговом элементе (9) принимается решение о наличии или отсутствии цели в элементе разрешения.
Информация о результатах обнаружения сохраняется в параллельном регистре (10) и отображается на индикаторе (11).
Предлагаемое устройство выполнено на серийно-выпускаемых промышленных электронных элементах и реализовано в локаторе мобильной автоматизированной радарной системы управления на базе быстродействующих программируемых логических матриц (ПЛМ) типа Xilinx.
Тем самым подтверждается промышленная реализация вышеописанного устройства, позволяющего определить протяженность целей и мешающих объектов, по результатам анализа которой возможно принятие решения об обнаружении объекта на фоне мешающих отражений.
Разработанное устройство обладает расширенными функциональными возможностями и повышенным уровнем правильного обнаружения морских и речных судов различного тоннажа.
Использованные источники информации:
1. «Цифровая радиолокация. Введение в теорию», С.З. Кузьмин, Киев: Издательство "КВiЦ", 2000. - 428 с.
2. Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. - М.: Радио и связь, 1989. - 192 с.
3. Патент России RU 2409821 С2, Обнаружитель радиолокационных сигналов.
4. Патент России RU 2237258 С2, Способ адаптивного цифрового обнаружения сигналов.
5. «Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория», Справочник, Изд. 2-е перераб. и доп. / Под ред. Я.Д. Ширмана. - М.: Радиотехника, 2007 г., - 512 с.