УСТРОЙСТВО КЛАССИФИКАЦИИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОБЪЕКТОВ НАБЛЮДЕНИЯ ПО ИНТЕНСИВНОСТИ АМПЛИТУДНЫХ ФЛЮКТУАЦИЙ
DEVICE FOR CLASSIFICATION OF RADAR SURVEILLANCE OBJECTS ACCORDING TO INTENSITY OF AMPLITUDE FLUCTUATIONS

Изобретение относится к радиолокационной технике и может быть использовано в радиолокационных станциях (РЛС) для классификации радиолокационных объектов наблюдения различных геометрических размеров и конфигураций.
Известно радиолокационное устройство классификации ВО [1], состоящее из индикатора и приемопередатчика, содержащего генератор, импульсный модулятор (ИМ), усилитель мощности (УМ), антенный переключатель (АП), антенну, 1-й и 2-й смесители, гетеродин, усилитель промежуточной частоты (УПЧ) и фазовый детектор (ФД). При этом генератор связан своим выходом со 2-м входом 1-го смесителя и 1-м входом УМ, 2-й вход которого связан с выходом ИМ, а выход - с антенной через АП, выход которого связан с 1-м входом 2-го смесителя, 2-й вход которого соединен с выходом 1-го смесителя, а выход связан со входом УПЧ, выход которого подключен ко 2-му входу ФД, выход которого связан с индикатором, а 1-й вход связан с выходом гетеродина и 1-м входом 1-го смесителя. Данное устройство не обеспечивает высокой достоверности классификации радиолокационных объектов наблюдения (РОН), а именно аэродинамических воздушных объектов (ВО), так как оно не может распознавать неподвижные или малоподвижные ВО на фоне местных предметов и метеообразований, а также объекты, имеющие одинаковые радиальные составляющие вектора скорости.
Известно также радиолокационное устройство классификации РОН [2], включающее последовательно соединенные генератор линейно частотно модулированного (ЛЧМ) сигнала, 1-й смеситель, УМ, АП, усилитель высокой частоты (УВЧ), 2-й смеситель, УПЧ, амплитудный детектор (АД), сумматор, двухполупериодиый выпрямитель (ДППВ), 1-й интегратор, блок деления (БД) и блок идентификации (БИ), а также последовательно соединенные синхронизатор, делитель частоты и вторую линию задержки, которая своим выходом соединена со вторым входом первого интегратора и вторым входом второго интегратора, первый вход которого подключен к выходу АД и входу первой линии задержки, выход которой связан со вторым входом сумматора, причем выход генератора подключен ко второму входу первого смесителя и второму входу второго смесителя, вход-выход АП связан с вход-выходом антенны, а выход синхронизатора соединен со входом ИМ, подключенного своим выходом ко второму входу усилителя мощности.
Данное устройство способно классифицировать РОН и в том числе аэродинамические ВО на основе признака, выражающего сумму перепадов амплитуды в пределах отраженных ЛЧМ-импульсов. Однако формирование признака классификации в [2] происходит без учета величины угловой скорости поворота аэродинамического ВО относительно РЛС. Устройство [2] использует усреднение признака классификации по нескольким углам визирования. Но при нулевой угловой скорости изменения угла визирования усреднение проводить бессмысленно, так как никаких изменений с течением времени происходить не будет. Если для одного и того же РОН признак классификации будет получен сначала на интервале с минимальной угловой скоростью поворота, а затем на интервале с максимальной угловой скоростью, то результаты усреднения могут существенно отличаться. Тем более они не будут иметь соответствия при рассмотрении различных объектов. Все это может привести к росту ошибок классификации.
Задачей изобретения является повышение вероятности правильной классификации РОН, а именно аэродинамических воздушных объектов за счет использования высокоинформативного признака, характеризующего скорость изменения уровня отраженного объектом сигнала при перестройке частоты зондирующего ЛЧМ-сигнала и основанного на усреднении перепадов амплитуды отражений в пределах угловой длительности лепестков отражательной характеристики (ОХ) объекта, обеспечивая при классификации усреднение признака классификации на интервале, в пределах которого РОН поворачивается относительно РЛС с максимальной угловой скоростью.
Решение указанной задачи достигается тем, что состав известного устройства классификации [2] дополняется низкочастотным фильтром (НЧФ), аналого-цифровым преобразователем (АЦП), блоком корреляционного анализа смежных импульсов (БКАСИ), блоком сглаживания характеристик (БСХ), блоком нахождения глобального минимума (БНГМ), блоком вычисления признака классификации (БВПК) и блоком хранения данных (БХД). При этом выход АД связывают со входом НЧФ, выход которого подключают ко входу АЦП, выход которого соединяют со входом БКАСИ и первым входом БХД, выход которого связывают со входом БВПК, выход которого подключают ко входу БИ, выход БКАСИ соединяют со входом БСХ, выход которого связывают с входом БНГМ, выход которого подключают ко второму входу БХД.
Предложенное построение схемы позволяет заявляемому устройству классификации РОН повысить качество классификации аэродинамических РОИ (а именно аэродинамических ВО разных размеров и конфигураций) за счет анализа величин изменения уровней огибающих импульсных ЛЧМ-сигналов, отраженных объектами при максимальной угловой скорости их поворота относительно РЛС в ходе совершения полета в турбулентности.
На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства классификации РОН по интенсивности амплитудных флюктуаций.
Данное устройство содержит генератор 1, 1-й смеситель 2, УМ 3, антенну 4, синхронизатор 5, генератор ЛЧМ-сигнала 6, ИМ 7, АП 8, АД 9, УПЧ 10, 2-й смеситель 11, УВЧ 12, НЧФ 13, АЦП 14, БКАСИ 15, БСХ 16, БНГМ 17, БХД 18, БВПК 19 и БИ 20. Выход генератора 1 связан со 2-м входом 1-го смесителя 2 и 2-м входом 2-го смесителя 11, первый вход которого связан с выходом УВЧ 12, вход которого подключен к выходу АП 8, вход-выход которого связан со вход-выходом антенны 4, а вход - с выходом УМ 3, первый вход которого подключен к выходу 1-го смесителя 2, а 2-й вход - к выходу ИМ 7, вход которого связан с выходом синхронизатора 5. Выход генератора ЛЧМ-сигнала 6 соединен с первым входом 1-го смесителя 2, а выход 2-го смесителя 11 связан со входом УПЧ 10, выход которого подключен ко входу АД 9, выход которого связан со входом НЧФ 13, связанного своим выходом со входом АЦП 14. Выход АЦП 14 соединен со входом БКАСИ 15, выход которого связан со входом БСХ 16, выход которого подключен ко входу БНГМ 17, выход которого соединен со вторым входом БХД 18, первый вход которого соединен с выходом АЦП 14, а выход - со входом БВПК 19, выход которого подключен ко входу БИ 20.
Заявляемое устройство классификации РОН по интенсивности амплитудных флюктуаций работает следующим образом.
0
пр
пр
ЛЧМ
пр
ЛЧМ
ЛЧМ
0
пр
ЛЧМ
пр
ЛЧМ
Д
Д
пр
ЛЧМ
Д
пр
ЛЧМ
Д
Генератор 1 вырабатывает высокочастотные электромагнитные колебания на средней несущей частоте f и подает их на 2-й вход 1-го смесителя 2, на 1-й вход которого поступает сигнал с выхода генератора ЛЧМ-сигнала 6, который вырабатывает электромагнитные колебания со средней частотой f, изменяющейся от f-Δf/2 до f+Δf/2, где Δf - девиация ЛЧМ-сигнала. На выходе блока 2 формируется сигнал на частоте f+f±Δf/2, поступающий на 1-й вход УМ 3, где усиливается и модулируется по 2-му входу (преобразуется в импульсный) сигналами ИМ 7, который, в свою очередь, синхронизирован импульсными сигналами синхронизатора 5. С выхода УМ 3 мощные ЛЧМ-импульсы через АП8 поступают на вход антенны 4 и излучаются ею в направлении классифицируемого РОН (аэродинамического ВО). Сигналы, отраженные РОН, принимаются антенной 4 и через АП8 передаются на вход УВЧ 12, где происходит их усиление на высокой частоте. С выхода УВЧ 12 отраженные сигналы поступают на 1-й вход 2-го смесителя 11, 2-й вход которого соединен с выходом генератора 1. Во втором смесителе 11 происходит преобразование (понижение) частоты отраженного сигнала. На его выходе формируется сигнал на частоте f±Δf/2+F, где F - доплеровская частотная добавка. Этот сигнал подается на вход УПЧ 10. Являясь широкополосным, УПЧ 10 усиливает и пропускает на свой выход все сигналы, частота которых находится в пределах от f-Δf/2-F до f+Δf/2+F. Эти сигналы поступают на вход АД 9, предназначенного для выделения огибающей отраженного сигнала.
С выхода АД 9 огибающая принятого сигнала поступает на вход низкочастотного фильтра 13. Низкочастотный фильтр 13 предназначен для устранения высокочастотной модуляции огибающей отраженного сигнала. Высокочастотная модуляция может являться следствием проявления турбовинтового эффекта [3] при несинхронном вращении лопаток компрессоров в разных двигательных установках. Полоса пропускания НЧФ 13 выбирается такой, чтобы любые амплитудные флюктуации в огибающей отраженного сигнала, связанные с изменением интерференционной картины при перестройке частоты, оставались неизменными, а вредные высокочастотные (например, турбовинтовые) модуляционные составляющие подавлялись. Таким образом, полоса пропускания НЧФ 13 должна быть равна удвоенной максимальной частоте амплитудной модуляции огибающей отраженного ЛЧМ-сигнала.
Известно, что в квазиоптической области отражения радиоволн изрезанность огибающей отраженного ЛЧМ-сигнала определяется индивидуальными особенностями POН [3]. У объектов более крупных размеров и более сложной формы флюктуации амплитуды огибающей отраженного сигнала проявляются наиболее ярко по сравнению с малоразмерными объектами. У малоразмерных РОН амплитуда огибающей отраженного ЛЧМ-сигнала изменяется медленнее, то есть время корреляции сигналов, принадлежащих таким объектам, больше. Однако данный факт определяется кроме всего прочего угловой скоростью изменения ракурса объекта. Значит, для усреднения признака классификации, извлекаемого из огибающей отраженного ЛЧМ-сигнала, необходимо активное изменение ракурса наблюдения ВО. Реальные же ВО имеют в полете интервалы интенсивных рысканий планера [4] и интервалы его замирания в пространстве. На интервалах замирания усреднение признака по разным углам визирования получить нельзя. При этом в течение единиц секунд у большинства ВО обязательно в определенный момент наступает этап интенсивных рысканий. В течение этого этапа (интервала) усреднение признака классификации проводить наиболее выгодно. Результат усреднения в таком случае будет квазиоптимальным.
Этот факт положен в основу работы предлагаемого устройства. Для выделения информации о скорости изменения амплитуды огибающей ЛЧМ-сигнала в схеме устройства предлагается применить АЦП 14, который проводит цифровое квантование огибающей отраженного сигнала через каждый интервал времени Δt. Сравнение оцифрованных амплитуд, зафиксированных АЦП 14 через интервалы времени Δt, позволяет делать вывод об интенсивности амплитудных флюктуаций в отраженном сигнале.
Время квантования Δt выбирается аналогично времени задержки в первой линии задержки прототипа [2]. При выборе периода квантования (задержки) Δt АЦП 14 необходимо учесть, что использование узкополосного ЛЧМ-сигнала позволяет анализировать лишь малую часть амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) объекта. В данном случае предлагается анализировать интервал АЧХ, равный половине самого узкого лепестка огибающей отраженного ЛЧМ-сигнала, то есть самого узкого периода структуры АЧХ. Полоса частотного анализа, связанная с периодом квантования Δt (в течение которого определяется вариация амплитуды огибающей отраженного ЛЧМ-сигнала), выбирается из соотношения
МАКС
где с - скорость распространения электромагнитных волн; L - максимально возможное расстояние между рассеивающими центрами (РЦ) на поверхности РОН в радиальном направлении, определяемое по всему перечню объектов, подлежащих классификации с учетом всех возможных ракурсов локации.
и
Если τ - длительность ЛЧМ-импульса, то справедлива пропорция
или ,
откуда
С учетом (1) выражение (2) принимает вид
0
0
ЛЧМ
0
МАКС
И
и
и
0
0
МАКС
8
5
Пусть основная несущая частота зондирующего сигнала равна f=5 ГГц. Широкополосность антенн современных РЛС позволяет передавать и принимать без искажений ЛЧМ-сигналы с девиацией, не превышающей 5% от f. Условимся считать, что Δf составляет 4% от f, то есть 200 МГц. Тогда для L=35 м получим Δt=3·10τ/(4·35·2·10)≈0,01τ, что обеспечит анализ АЧХ обслуживаемого ВО на интервале 99% от τ при последовательном сравнении смежных оцифрованных отсчетов амплитуд огибающей отраженного сигнала, полученных при периоде квантования Δt. Для сравнения укажем, что использование узкополосных ЛЧМ-сигналов с девиацией частоты, равной 0,1% от f, при f=3 ГГц и L=50 м приводит к анализу АЧХ всего на половине длительности импульса [2].
С выхода АЦП 14 оцифрованные отсчеты амплитуды отраженного сигнала поступают на первый вход БХД 18 и вход БКАСИ 15. Блок хранения данных 18 предназначен для запоминания и длительного хранения амплитуд сигналов, отраженных РОН. Вместе с амплитудами отраженного сигнала в БХД 18 заносятся и фиксируются в памяти (запоминаются) номера отраженных импульсов, в пределах которых проведено цифровое квантование (оцифровка) амплитуд сигнала с помощью АЦП 14. Нумерация отраженных импульсов может быть заменена на хранение вместе с оцифрованными амплитудами времени приема соответствующего импульса.
i
Блок 15 предназначен для нахождения корреляционных связей между смежными принимаемыми сигналами в интересах обеспечения получения из количественных оценок корреляции отраженных сигналов корреляционной характеристики объекта (РОН). В этих целях в БКАСИ 15 для каждой i-й пары смежных оцифрованных импульсов рассчитывается величина U, прямо пропорциональная сумме разностей амплитуд одинаковых по номеру отсчетов в смежных отраженных сигналах и обратно пропорциональная сумме всех оцифрованных амплитуд двух смежных импульсов
i1n
i2n
и
где X - амплитуда n-го отсчета в первом импульсе i-й пары; X - амплитуда n-го отсчета во втором импульсе i-й пары; N - число амплитудных отсчетов в пределах длительности импульса T=τ/Δt.
i
i
i
Чем меньше несоответствий в амплитудных огибающих принятых смежных импульсов i-й пары сигналов, тем величина U будет меньше, а при точном совпадении сигналов величина U становится равной нулю. Значит, коэффициент корреляции (КК) двух сигналов i-й пары ρ может быть выражен формулой
Действительно, при полном совпадении импульсов в паре КК становится единичным, а при нарастании расхождений его величина уменьшается, что соответствует физической сущности корреляционных связей.
1
2
Коэффициент / в формуле (5) показывает, что в знаменателе используется усредненная по двум смежным импульсам сумма амплитуд отражений, прошедших оцифровку в ЦАП 14.
н
и
н
и
н
р
р
На выходе БКАСИ 15 формируется последовательность коэффициентов корреляции для I пар смежных импульсов. Число I соответствует (I+1) смежным сигналам, т.е. КК первой пары выражает коррелированность 1-го и 2-го импульса, КК второй пары выражает коррелированность 2-го и 3-го импульса и так далее до последней I-й пары, КК которой выражает коррелированность I-го и (I+1)-го импульса. Число I может быть определено из выражения I=T/Т, где Т - время наблюдения РОН, Т - период повторения импульсов. Время наблюдения Т выбирают равным величине порядка единиц секунд (например, 5 с), чтобы оно было соизмеримо с периодом рысканий Т планера ВО при его полете в турбулентной атмосфере, который согласно [4] равен Т=2-4 с.
i
Величины КК ρ с выхода БКАСИ 15 поступают на вход БСХ 16, где из них формируется массив данных, выражающий собой корреляционную характеристику (КХ) РОН . Графический вид истинной КХ РОН представлен на фиг.2 а.
В цифровом блоке 16 одним из известных методов сглаживания [5] проводится сглаживание КХ объекта, чем устраняется наличие локальных экстремумов, препятствующих правильному определению глобального минимума КХ.
Методы сглаживания или регрессии являются известными и уже реализованными в современных математических пакетах [5|. Наиболее простым является скользящее усреднение. Его суть состоит в расчете для каждого значения элемента массива среднего значения по соседним данным. Вариант сглаженной КХ представлен на фиг.2 б. Эта КХ получена методом сглаживания истинной КХ (фиг.2 а) объекта.
i
мин
мин
Сглаженная КХ РОН в виде массива цифровых данных поступает из блока 16 в БНГМ 17. При формировании массива данных истинной КХ, а затем и сглаженной КХ вместе с данными о КХ сохраняются (запоминаются) данные о номерах импульсов, которым соответствует вычисленный КК ρ. Блок 17 проводит анализ сглаженной КХ и определяет номер отраженного импульса, которому соответствует минимальный КК ρ (фиг.2 б). Номер этого импульса i с выхода БНГМ 17 поступает на второй вход БХД 18.
мин
По поступившему на 2-й вход номеру i БХД 18 выбирает из всего массива сохраненных данных только ту часть, которая соответствует минимизации КК между отраженными импульсами. Число отраженных сигналов, амплитуды которых подаются на выход блока 18, должно быть порядка 100-200.
н
и
мин
мин
При времени наблюдения Т=5 с и периоде повторения Т=1 мс в БХД 18 будет сохранена информация об амплитудах 1000000 импульсов, причем для каждого i-го импульса будет сохранено N отсчетов амплитуд, полученных с периодом квантования Δt. Среди этого большого объема данных по установленному в блоке 17 номеру i выбирается информация о, например, 200-х импульсах, принятых последовательно, причем средним в этой рабочей последовательности (рабочей последовательность названа по причине извлечения признака классификации на основе заложенной именно в ней информации) должен быть импульс с номером i. Информация о дискретизированных амплитудах рабочей последовательности импульсов с выхода БХД 18 поступает на вход БВПК 19.
s
Блок 19 предназначен для вычисления признака классификации Q, используемого впоследствии для установления класса РОН. Признак Q рассчитывается в два этапа. Сначала на первом этапе частный признак Q рассчитывается для каждого отдельного s-го импульса рабочей последовательности по формуле
sn
s(n+1)
где X, X - соответственно амплитуда n-го и (n+1)-го отсчетов в s-м импульсе рабочей последовательности.
На втором этапе проводится усреднение признака Q по числу импульсов в рабочей последовательности по формуле
Величина признака классификации Q с выхода БВПК 19 поступает на вход БИ 20, где сравнивается с набором пороговых сигналов, разделяющих весь возможный диапазон изменения признака на несколько поддиапазонов, соответствующих установленному заблаговременно алфавиту классов [6]. По результатам сравнения вычисленного в блоке 19 признака Q с порогами определяется класс РОН, что сигнализируется загоранием соответствующего индикатора, который может быть расположен как в БИ 20, так и вне этого блока на панели индикации радиолокатора, содержащего предложенное устройство.
Из приведенного описания работы устройства видно, что БИ 20 производит классификацию РОН (ВО) по величинам перепадов уровня огибающей отраженного импульсного ЛЧМ-сигнала, усредненного в диапазоне максимизации флюктуации амплитуды радиолокационных отражений в квазиоптической области (сантиметровый диапазон длин волн).
Наличие в знаменателе (6) усредненной амплитуды сигнала в пределах анализируемого оцифрованного импульса обеспечивает независимость признака Q от дальности до РОН, так как схема автоматической регулировки усиления в устройстве не используется.
Сущность изобретения состоит в том, что вместо усреднения признака классификации по различным случайным углам визирования используется усреднение по числу импульсов, заведомо соответствующих максимальной угловой скорости  изменения ракурса локации РОН (ВО при полете в турбулентной атмосфере). Для выбора момента максимизации угловой скорости  использован корреляционный алгоритм [7], реализованный в блоках 15, 16 и 17. Сравнение признака Q, полученного для РОН разных классов, но при одинаковых благоприятных по физической природе условиях, обеспечивает более высокие количественные показатели классификации РОН. Благоприятным условием в данном случае считается максимальная угловая скорость  при которой изменение формы огибающей отраженного ЛЧМ-сигнала происходит наиболее активно, что позволяет считать результат усреднения признака Q наилучшим.
Новые элементы схемы, а именно БКАСИ, БСХ, БНГМ, БВПК и БХД, а также БИ 20 представляют собой цифровые устройства, широко применяемые в современной технике, в том числе и в устройствах радиолокационной классификации [8]. Они могут быть выполнены в виде отдельных микропроцессоров или могут быть реализованы в виде программных продуктов (блоков, модулей) в цифровой вычислительной машине, входящей в состав РЛС. Их аналоги представлены в [9 с.255, рис.7.1, с.287, рис.7.10, с.291, рис.7.11; 10 с.77, рис.3.20, с.79, рис.3.21, с.133, рис.4.22]. Они могут также составлять отдельный комплексный процессор, специально настроенный (разработанный) под решение задач классификации. Аналого-цифровые преобразователи, применяемые в радиолокационной технике, известны уже длительное время [11] и широко используются в радиолокаторах с цифровой обработкой сигналов. Низкочастотные фильтры также широко известны в радиолокационной технике [3, 10] и не требуют пояснения в части реализации.
Используемый в предлагаемом устройстве признак не только является функцией сложности ВО в радиальном направлении, но и качественно усредняется по множеству ракурсов локации, так как многократно формируется в процессе поворота ВО относительно РЛС с максимальной угловой скоростью  рысканий планера. Это позволяет констатировать, что результаты классификации РОН с помощью сформированного предложенным устройством признака Q будут выше, чем при использовании прототипа [2]. Наиболее эффективным устройство будет при использовании сантиметрового диапазона длин волн, что соответствует квазиоптической области отражения.
Таким образом, предложенное устройство имеет более высокие характеристики классификации РОН по сравнению с прототипом. Описанное устройство способно обеспечить высокую вероятность принятия правильного решения по классификации РОН (ВО) различных размеров и форм, имеющих как разные, так и одинаковые радиальные скорости в широком диапазоне дальностей, так как используемый устройством признак классификации Q является информативным, не зависящим от дальности до объекта и многократно усредненным по различным углам визирования.
Источники информации
1. Авиационные радиолокационные устройства. / Под ред. П.И.Дудника. М.: ВВИА им. Н.Е.Жуковского, 1986. С.201, рис.7.13 (аналог).
2. Патент РФ №2099736. Устройство распознавания целей. Ермоленко В.П., Митрофанов Д.Г., Вашкевич С.А., Борисов В.И. Заявка на изобретение №96110486 от 29.05.1996. Опубл. 20.12.97. Бюлл. №35, Ч. 2. С.561 (прототип).
3. Радиоэлектронные системы. Справочник. Основы построения и теория. / Под ред. Я. Д. Ширмана. - М.: Радиотехника, 2007. 510 с.
4. Доброленский Ю.П. Динамика полета в неспокойной атмосфере. - М.: Машиностроение, 1969. 256 с.
5. Кирьянов Д. В. Mathcad 12. - С-Пб.: БХВ-Петербург, 2005. 576 с.
6. Селекция и распознавание на основе локационной информации. / Под ред. А.Л.Горелика. - М.: Радио и связь, 1990. 240 с.
7. Митрофанов Д.Г. Метод построения радиолокационных изображений аэродинамических летательных аппаратов. // Полет, 2006. №11. С.52-60.
7
8. Патент на полезную модель №77980. МПК G01S 13/90. Радиолокационная станция с инверсным синтезированием апертуры и двухуровневым нейросетевым распознаванием целей. Митрофанов Д.Г., Сафонов А.В., Гаврилов А.Д., Бортовик В.В., Прохоркин А.Г. Заявка №2008126417 от 1.07.2008. Опубл. 10.11.2008. Бюл. №31.
9. Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. М.: Радио и связь, 1986.
10. Небабин В.Г., Сергеев В.В. Методы и техника радиолокационного распознавания. М.: Радио и связь, 1984. 152 с.
11. Астанин Л.Ю., Просыпкин С.Е., Степанов А.В. Аппаратура и средства для широкополосных измерений радиолокационных характеристик. // Зарубежная радиоэлектроника, 1991. №1. С.117.