УСТРОЙСТВО РАДИОЛОКАЦИОННОГО РАСПОЗНАВАНИЯ КЛАССОВ ВОЗДУШНО-КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ В МНОГОДИАПАЗОННОМ РАДИОЛОКАЦИОННОМ КОМПЛЕКСЕ С ФАЗИРОВАННЫМИ АНТЕННЫМИ РЕШЕТКАМИ

Полезная модель относится к радиолокации и может быть использована для радиолокационного распознавания классов (РРК) воздушно-космических объектов (ВКО) в многодиапазонных радиолокационных комплексах с фазированными антенными решетками и двумерным электронным сканированием и поимпульсной перестройки частоты.
В данной полезной модели предлагается использовать технологии адаптивного взаимодействия радиолокационных модулей (РЛМ) разного диапазона длин волн, которые позволяют при двухэтапном распознавании в двухдиапазонных комплексах и использовании дополнительных признаков распознавания повысить вероятность правильного РРК ВКО и значительно уменьшить временные затраты на решение этой задачи, а также произвести селекцию ложных целей.
Наиболее близким по технической сущности является устройство распознавания ВКО в двухдиапазонных РЛК с активными ФАР (патент РФ №2665032 С2, МПК G01S 13/52, опубл. 27.08.2018 г.), использующее две радиолокационные станции для двухэтапного распознавания ВКО на разных диапазонах длин волн и принятое за прототип [1].
Это устройство содержит блок обработки радиолокационной информации, вычислитель вертикальной составляющей скорости, вычислитель трассовой скорости, классификатор первого уровня, классификатор второго уровня, вычислитель частотного признака распознавания и блок усреднения частотного признака, вычислитель эффективной площади рассеяния и блок усреднения эффективной площади рассеяния, устройство выбора воздушных объектов, устройство выбора рабочих частот, вычислитель продольного размера, а также параметрический классификатор.
Недостатком прототипа является недостаточная вероятность правильного распознавания и большие временные ресурсы, отведенные на эту процедуру, а также отсутствие селекции ложных целей, использующих синхронную ответную помеху для маскировки реальных целей.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение тактико-технических характеристик, заключающееся в расширении алфавита распознаваемых классов ВКО и повышении вероятности правильного распознавания ВКО, а также возможности выявления ложных целей имитирующих сигналы зондирующего РЛМ.
ц
Цель достигается за счет использования дополнительного признака распознавания (корреляционного признака) полученного при вычислении зависимостей величин эффективной поверхности рассеивания (ЭПР) от поимпульсно перестраиваемых зондирующих частот σ(ƒ), которые могут быть получены как в длинноволновом РЛМ, осуществляющем грубую оценку параметров ВКО при круговом обзоре и на больших дальностях, так и в коротковолновом РЛМ, способном удерживать луч в направлении на цель в течение длительного времени для накопления сигнала, и осуществляющим точные измерения параметров ВКО при квазиоптимальном разносе зондирующих частот, а также за счет вычисления зависимости изменения значений ЭПР воздушного объекта от дальности до этого объекта, в результате чего выявляются ложные воздушные объекты, имитирующие ВКО других классов. При этом данная процедура может выполняться РЛМ разных диапазонов длин волн, что позволяет выполнять селекцию на более качественном уровне.
Заявляемый результат достигается за счет того, что в устройство, содержащее блок обработки радиолокационной информации (БО), вычислитель вертикальной составляющей скорости (ВВСС), вычислитель трассовой скорости (ВТС), вычислитель частотного признака распознавания (ВЧПР), вычислитель эффективной площади рассеяния (ВЭПР), классификатор первого уровня (КПУ), классификатор второго уровня (КВУ), блок усреднения частотного признака (БУЧПР), блок усреднения эффективной площади рассеяния (БУЭПР), устройство выбора воздушных объектов (УВВО), устройство выбора рабочих частот (УВРЧ), вычислитель продольного размера (ВПР), а также параметрический классификатор (ПК), дополнительно введены блок распознавания ложных целей (БРЛЦ) и блок корреляционного признака распознавания (БКПР).
На фигуре представлена структурная схема предлагаемого устройства со следующими обозначениями:
1 - блок обработки радиолокационной информации (БО);
2 - вычислитель вертикальной составляющей скорости (ВВСС);
3 - вычислитель трассовой скорости (ВТС);
4 - вычислитель частотного признака распознавания (ВЧПР);
5 - вычислитель ЭПР (ВЭПР);
6 - классификатор первого уровня (КПУ);
7 - классификатор второго уровня (КВУ);
8 - блок усреднения частотного признака распознавания (БУЧПР);
9 - блок распознавания ложных целей (БРЛЦ);
10 - устройство выбора воздушных объектов (УВВО);
11 - устройство выбора рабочих частот (УВРЧ);
12 - блок усреднения ЭПР (БУЭПР);
13 - вычислитель продольного размера (ВПР);
14 - блок корреляционного признака распознавания (БКПР);
15 - параметрический классификатор (ПК).
Предлагаемое устройство состоит из блока обработки радиолокационной информации БО 1, вычислителя вертикальной составляющей скорости ВВСС 2, вычислителя трассовой скорости ВТС 3, вычислителя частотного признака распознавания ВЧПР 4 с блоком его усреднения БУЧПР 8, вычислителя ЭПР ВЭПР 5, с блоком его усреднения БУЭПР 12, блока распознавания ложных целей БРЛЦ 9, классификаторов первого и второго уровней КПУ 6 и КВУ 7, соответственно, устройства выбора воздушных объектов УВВО 10, устройства выбора рабочих частот УВРЧ 11, вычислителя продольного размера ВПР 13, блока корреляционного признака распознавания БКПР 14 и параметрического классификатора ПК 15. Первый, второй и третий выходы БО 1 соединены, соответственно, с первым входом, через ВВСС 2 со вторым входом и через ВТС 3 с третьим входом КПУ 6, второй выход ВВСС 2 соединен с первым входом ВТС 3, а выход КПУ 6 - с входом КВУ 7, первый и второй выходы КВУ 7 соединены, соответственно, с первым входом ПК 15 и с первым входом УВВО 10, второй вход УВВО 10 соединен с четвертым выходом БО 1, а третий вход - с выходом УВРЧ 11, первый вход которого соединен со вторым выходом УВВО 10, первый выход которого является первым выходом устройства, а второй вход - через ВЧПР 4 последовательно соединенный с пятым выходом БО 1 и первым выходом БУЧПР 8, второй выход которого соединен с первым входом БКПР 14, шестой выход БО 1 через ВПР 13 соединен со вторым входом ПК 15, а седьмой выход БО 1 через последовательно соединенный ВЭПР 5 соединен с БРЛЦ 9, первый выход которого соединен через последовательно соединенный БУЭПР 12 со вторым входом БКПР 14, а второй выход соединен с четвертым входом ПК 15, БКПР 14 соединен с третьим входом ПК 15, выход которого является вторым выходом устройства.
При этом БО выполнен с дополнительной возможностью обобщенной (от двух модулей) вторичной обработки радиолокационной информации и расчета приоритета трассы на основе данных о результатах государственного опознавания воздушного объекта, его дальности и скорости полета.
x
y
На вход БО 1 поступает информация об обнаруженных модулями РЛМ метрового и дециметрового (сантиметрового) диапазона длин волн эхосигналах ВКО, содержащая дальность, азимут, угол места и амплитуду эхосигналов на каждой частоте зондирования, а также информация о госпринадлежности ВКО. БО 1 осуществляет пересчет координат в прямоугольную систему, завязку трассы по ВКО, привязку обнаруженных эхосигналов к существующим трассам, измеряет скорость ВКО по обобщенным от двух модулей координатам x и у (V, V) и его высоту, а также осуществляет расчет приоритета трассы. Полученные от приемников радиолокационных модулей амплитуды эхосигналов на каждой частоте зондирования БО 1 ретранслирует на вычислитель частотного признака распознавания ВЧПР 4, на вычислитель ЭПР воздушного объекта ВЭПР 5 и на вычислитель продольного размера ВПР 13.
Данные о высоте ВКО, рассчитанные по измеренному дециметровым (сантиметровым) модулем углу места, с первого выхода БО 1 поступают на первый вход классификатора первого уровня КПУ 6, а со второго выхода БО 1 - на вход вычислителя ВВСС 2, в котором определяется значение вертикальной составляющей скорости по формуле:
x
y
Значение вертикальной составляющей скорости подается на второй вход КПУ 6 и на первый вход ВТС 3, на вход которого с третьего выхода БО 1 поступают значения горизонтальных составляющих скоростей V, V.
В ВТС 3 вычисляется значение трассовой скорости ВКО по формуле:
Ti
Далее V подается на третий вход КПУ 6, в котором осуществляется сопоставление информации о высоте ВКО, его вертикальной составляющей скорости и трассовой скорости с априорно заданной информацией о возможных значениях этих признаков для каждого класса цели. Априорная информация закладывается в КПУ 6 в виде координат точек плоскостей «трассовая скорость - высота», и «вертикальная составляющая скорости - высота», ограничивающих области возможных значений этих признаков для каждого класса ВКО. КПУ 6 оценивает попадание точки плоскостей «трассовая скорость - высота», и «вертикальная составляющая скорости - высота» с текущими вертикальной составляющей скорости, трассовой скоростью и высотой полета ВКО в области возможных значений соответствующих плоскостей для каждого из распознаваемых классов ВКО. Таким образом, классификатор первого уровня осуществляет предварительное распознавание класса ВКО по траекторным признакам.
Результаты, полученные в КПУ 6, поступают на классификатор второго уровня КВУ 7, где применяется корректор по большинству, использующий алгоритм обобщенного голосования [2, стр. 26]. На данном этапе принимается предварительное решение о принадлежности ВКО к определенному классу, если его можно распознать по траекторным признакам, или о принадлежности ВКО группе классов, распознавание внутри которой будет осуществляться по сигнальным признакам: продольному размеру, изменениям ЭПР и ее усредненному значению, а также корреляционной зависимости величины ЭПР от частоты зондирования.
Для оценки продольного размера может быть использован способ, разработанный профессором Я.Д. Ширманом, заключающийся в облучении цели многочастотным сигналом с последующим анализом полученного частотного портрета цели. Частотный портрет представляет собой зависимость ЭПР цели от частоты зондирующего сигнала [2]. Для определения продольного размера воздушного объекта (ВО) при некогерентном многочастотном зондировании с поимпульсной перестройкой частоты РЛМ обычно применяется метод измерения интервала между частотами.
Продольный размер вычисляется на основе анализа поступающих с выхода 5 БО 1 амплитуд эхосигналов целей на каждой частоте, получаемых при многочастотном зондировании.
Как известно, одним из наиболее распространенных и простых в реализации способов радиолокационного определения продольного размера ВКО является метод, при котором РЛМ излучает многочастотный сигнал [2], перестраивая частоту зондирования сигнала от импульса к импульсу по заранее заданному периодическому закону. Расстояние между частотами при этом определяет наибольший однозначно измеряемый продольный размер воздушного объекта и рассчитывается в соответствии с теоремой Котельникова по формуле:
,
max
где L - наибольший, однозначно измеряемый продольный размер воздушного объекта;
с - скорость распространения электромагнитных волн.
Требуемый для измерения наименьший продольный размер воздушного объекта определяет диапазон частотной перестройки РЛМ при излучении многочастотного зондирующего сигнала определяется по формуле:
,
min
где L - наименьший, однозначно измеряемый продольный размер воздушного объекта.
Необходимое для измерения продольного размера количество излучаемых частот определяется формулой:
Таким образом, для однозначного радиолокационного измерения целей в наиболее распространенном диапазоне продольных размеров от 4 м (соответствует авиационным ракетам) до 50 м (соответствует крупноразмерным самолетам) необходимо излучение и прием сигнала на 26 частотах. Причем, как показало моделирование, для необходимой точности измерения в среднем на каждой частоте отношение сигнал-шум должно составлять не менее 18 дБ, что при регулярном круговом способе обзора пространства по азимуту достигается лишь на малых рубежах.
Построение многодиапазонных радиолокационных комплексов с двухэтапным измерением продольного размера ВКО позволяет уменьшить на это временные затраты и повысить точность измерений. Причем наибольших рубежей выдачи информации о классе цели и вероятностей правильного распознавания возможно добиться в двухдиапазонных РЛК метрово-дециметровых или метрово-сантиметровых длин волн. В таких радиолокационных комплексах обнаружение и сопровождение воздушных объектов осуществляется радиолокационным модулем метрового диапазона длин волн. Большие значения ЭПР в этом диапазоне обеспечивают большие дальности обнаружения целей особенно малозаметных. При реализации зондирования в этом модуле на двух частотах с поимпульсной перестройкой частоты осуществляется грубая оценка продольного размера посредством вычисления и усреднения частотного признака распознавания: малоразмерный воздушный объект - продольный размер от 4 до 12 м, среднеразмерный воздушный объект - продольный размер от 12 до 25 м или крупноразмерный воздушный объект - продольный размер от 26 до 50 м. Эти операции реализуются в ВЧПР 4 и БУЧПР 8, соответственно.
Грубая оценка продольного размера позволяет выбрать оптимальный диапазон рабочих частот и шаг по частоте для точного измерения продольного размера в РЛМ коротковолнового диапазона длин волн с АФАР и двумерным электронным сканированием, осуществляющей длительный контакт с целью в режиме остановленного на воздушном объекте луча. Так, для малоразмерной цели выбирается большой диапазон перестройки по частоте с крупным шагом изменения частоты, а для крупноразмерной цели, наоборот, - небольшой диапазон перестройки по частоте с мелким шагом по частоте. В обоих случаях количество частот, используемых для точного измерения продольного размера, и, соответственно, затрачиваемое на это время будут существенно уменьшены. Возникающая экономия временных ресурсов позволяет распознавать большее количество воздушно-космических объектов в течение одного обзора, либо позволяет использовать сэкономленное время для реализации других специальных режимов, улучшающих качество радиолокационной информации. При этом за счет точного измерения продольного размера на одном обзоре обеспечиваются большие рубежи распознавания классов ВКО.
Значения расстояния между частотами, диапазона частот и их количества для точного измерения продольного размера малоразмерного, среднеразмерного и крупноразмерного воздушного объекта приведены в таблице 1.
Выбор коротковолновой (дециметрового или сантиметрового диапазона длин волн) РЛМ для точного измерения продольного размера обусловлен возможностью формирования в ней узких диаграмм направленности антенны, как в азимутальной, так и в угломестной плоскостях, что позволяет минимизировать время контакта с воздушным объектом при фиксированном среднем отношении сигнал-шум. Кроме того, РЛМ дециметрового и сантиметрового диапазонов длин волн обеспечивают большие точности измерения траекторных признаков распознавания по сравнению с РЛМ метрового диапазона.
Выбор целей для точного измерения продольного размера осуществляется в УВВО 10, на основе информации о распознанных классах и группах классов, поступающей с КВУ 7, а также на основе значения приоритета ВКО, поступающего с четвертого выхода БО 1. Это позволяет измерять продольный размер воздушных объектов, нераспознающихся по траекторным признакам, а также наиболее приоритетных целей, в случае недостатка производительности РЛМ.
Амплитуды эхосигналов ВКО, полученные при зондировании на оптимизированных частотах РЛМ дециметрового или сантиметрового диапазона длин волн поступают в БО 1 и транслируются с его шестого выхода на устройство вычисления продольного размера ВПР 13.
2
ЭПР ВКО оценивается на основе поступающих с выхода 7 БО 1 данных о дальности и угле места цели, амплитуде ее эхосигнала и априорной зависимости дальности цели с ЭПР 1 м от угла места.
В случае применения синхронных ответных помех, которые представляют собой усиленные копии зондирующих сигналов, происходит ложное обнаружение целей, в результате чего в радиальном направлении относительно РЛМ формируются ложные трассы, что приводит к маскировке реальных целей.
Известен способ распознавания цели (патент РФ №2549192 С1, МПК G01S 7/36, опубл. 20.04.2015 г.) [3], в котором указано, что на основании зависимости оценки ЭПР ВКО от дальности возможно принимать решение о ложной цели, сформированной в результате действия синхронной ответной помехи.
Для этого в ВЭПР 5 на разных дальностях оценивается ЭПР по известной формуле [4]:
,
где σ - величина ЭПР;
- мощность принятого сигнала;
- мощность передатчика;
G - коэффициент усиления передающей (приемной) антенны;
λ - длина волны РЛМ;
R - дальность до цели.
Затем в БРЛЦ 9 сравниваются полученные значения, и при условии  принимается решение об истинности цели. В противном случае принимается решение о ВКО как ложной цели (ракета-ловушка). При этом, если оценка ЭПР увеличивается, то ложная цель удаляется, а если оценка ЭПР уменьшается, то ложная цель приближается. Принятое решение поступает на ПК 15.
ц
Однако по причине изрезанной формы диаграммы обратного вторичного излучения появляются флюктуации радиолокационных сигналов. Для уменьшения вредного влияния флюктуаций σ и увеличения вероятности правильного распознавания предлагается применить метод, основанный на использовании отличий коэффициентов корреляции амплитуд сигналов при многочастотном зондирующем сигнале. При этом вначале происходит обработка относительной разности сигналов (ρ - признак), затем полученный результат сравнивается с соответствующим порогом.
,
1
2
1
2
где U, U - амплитуды сигналов на частотах ƒ, ƒ.
Например при разносе несущих частот Δƒ=6 МГц возможно определить тип ВКО с вероятностью правильного распознавания  за счет того, что коэффициент взаимной корреляции сигналов для крупноразмерной цели составляет 0,2, для среднеразмерных целей 0,5<ρ<0,75, а для ракет-ловушек ρ>0,9. Данное соотношение выполняется при условии 5-6 независимых оборотов обзорного РЛМ.
В таком случае на основании вычисленных частот в БУЧПР 8 и значений ЭПР в БУЭПР 12, корреляционный признак распознавания определяется в БКПР 14 по формуле:
где М - число оборотов обзорного РЛМ.
При этом для расчета ρ используется информация как из предыдущих так и последующих обращений к цели.
На первый вход параметрического классификатора ПК 15 поступают результаты обобщенного голосования с блока КВУ 7, на второй вход поступает вычисленный продольный размер, на третий вход с БКПР 14 поступают данные об усредненной ЭПР ВКО и корреляционной зависимости ЭПР от частоты зондирования, на четвертый вход поступает информация о ложных целях с БРЛЦ 9, выявленных по изменению ЭПР. Здесь принимается окончательное решение о классе ВКО с учетом сигнальных признаков.
Параметры КПУ 6, КВУ 7 и ПК 15 выбираются в соответствии с априорными распределениями признаков распознавания классов ВКО, а также исходя из ошибок измерения признаков и требований к вероятности правильного распознавания классов ВКО.
Сигнальные признаки распознавания используется в предлагаемом устройстве для увеличения вероятности правильного распознавания наиболее важных классов обнаруженных целей, таких как самолеты тактической и стратегической авиации, а также ложных целей.
Таким образом, получить технический результат, а именно расширить алфавит классов ВКО и повысить вероятность правильного распознавания до приемлемого качества за короткое время (не более 6 обращений к ВКО), возможно за счет добавления в прототип БРЛЦ и БКПР с новыми связями, при этом добавление в существующий алгоритм распознавания процедуры определения класса ВКО по оценке изменения ЭПР и по корреляционному признаку технически реализуемо.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как основано на известных технологиях адаптивного взаимодействия радиоэлектронной техники и предназначено для радиолокационного распознавания классов воздушно-космических объектов в многодиапазонных радиолокационных комплексах.
Список литературы.
1. Патент РФ №2665032 С2, МПК G01S 13/52 «Устройство распознавания воздушно-космических объектов в двухдиапазонных радиолокационных комплексах с активными фазированными антенными решетками (АФАР)», опубл. 27.08.2018 г.
2. Ширман А.Д. и др. «Методы радиолокационного распознавания и их моделирование». Зарубежная радиоэлектроника, 1996, №11.
3. Патент РФ №2549192 С1, МПК G01S 7/36 «Способ распознавания цели», опубл. 20.04.2015 г.
4. Сколник М. Справочник по радиолокации, том 1. М.: «Советское радио», 1976, стр. 356-395.