Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РАЗРЕШЕНИЯ ГРУППОВОЙ ЦЕЛИ

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в бортовых, наземных и корабельных радиолокационных станциях (РЛС) для разрешения отдельных целей из состава групповой в импульсном объеме.

Известен способ обнаружения групповой цели [Патент РФ №2106653 от 10.03.1998 г., МПК G01S 7/292]. В данном способе задача обнаружения групповой цели решается на основе явления взаимного подавления перекрывающихся сигналов при их сжатии после ограничения. Указанный результат достигается тем, что в известном способе обработки радиолокационного сигнала, основанном на весовой обработке принятого колебания и сравнении его с порогом U₀, дополнительно проводят весовую обработку колебания после его ограничения. Решение об обнаружении групповой цели принимают, если уровень сигнала после основной обработки достигает значения U_0i, а после дополнительной - ниже уровня U_д1, соответствующего значению U_0i.

Недостатком способа является то, что для принятия решения об обнаружении групповой цели необходимо наличие дополнительного канала обработки, что усложняет техническую реализацию способа. Кроме того, предусматривается обработка сигнала в режиме с ограничением, который приводит к дополнительным потерям, искажению фазовой структуры принятого сигнала и снижению вероятности обнаружения групповой цели.

Известен способ обнаружения групповой цели [Патент США №4536764 от 20.08.85 г., МПК G01S 7/28, 13/52]. Сущность способа заключается в том, что в пределах интервалов, равных длительности зондирующего импульса (дальностных стробов), производят суммирование цифровых отсчетов, подвергают полученные в результате суммирования N отсчетов амплитудному взвешиванию, осуществляют фильтровую обработку по алгоритму N-точечного быстрого преобразования Фурье (БПФ), в стробе дальности выбирают множество смежных доплеровских фильтров, определяют первую доплеровскую частоту f₁ из названного множества смежных доплеровских фильтров как частоту фильтра jmax1 с максимальной амплитудой сигнала, выбирают первое подмножество множества смежных доплеровских фильтров R₁ с центром около выбранной первой доплеровской частоты f₁, получают величину первого порога путем перемножения амплитуды сигнала первой доплеровской частоты f₁ с первым множителем, меньшим единицы, в первом подмножестве множества смежных доплеровских фильтров R₁, определяют группы амплитуд сигналов, превысивших первый порог, разделяют полученные группы амплитуд сигналов на кластеры, ширина которых составляет три доплеровских фильтра, подсчитывают количество кластеров для получения первого счета C₁, ослабляют путем бланкирования амплитуды сигналов первой доплеровской частоты f₁ и группы доплеровских частот, расположенных вблизи, определяют вторую доплеровскую частоту f₂ как частоту фильтра jmax2 с максимальной амплитудой сигнала среди неослабленных сигналов из первого подмножества смежных доплеровских фильтров R₁, выбирают второе подмножество множества смежных доплеровских фильтров R₂ с центром около выбранной второй доплеровской частоты f₂, получают величину второго порога путем перемножения амплитуды сигнала второй доплеровской частоты f₂ со вторым множителем, если первый счет C₁ меньше или равен единице, или путем перемножения амплитуды сигнала второй доплеровской частоты f₂ с первым множителем, если первый счет C₁ больше единицы, затем во втором подмножестве множества смежных доплеровских фильтров R₂ определяют группы амплитуд сигналов, превысивших второй порог, разделяют полученные группы амплитуд сигналов на кластеры, ширина которого составляет три доплеровских фильтра, подсчитывают количество кластеров для получения второго счета C₂, вычисляют промежуточный счет в соответствии с математическим выражением

C=C₁-|C₂-C₁|+1,

приравнивают далее окончательный счет к промежуточному счету C, если полученный промежуточный счет C больше или равен единице, либо приравнивают окончательный счет к единице, если полученный промежуточный счет C меньше единицы, принимают решение об обнаружении групповой цели в стробе дальности, если полученный окончательный счет больше единицы.

Недостатком способа является невысокая вероятность обнаружения групповой цели, для которой доплеровские частоты сигналов отдельных ее элементов совпадают. Связано это с тем, что разрешающая способность способа определяется шириной группы смежных доплеровских фильтров, которая принципиально не может быть меньше ширины одного-трех доплеровских фильтров. Таким образом, если доплеровские частоты сигналов групповой цели совпадают, то при выполнении операции бланкирования амплитуд сигналов группы смежных доплеровских частот информация о том, что цель групповая, может быть потеряна. Это является причиной невысокой вероятности обнаружения групповой цели, доплеровские частоты сигналов которой практически совпадают.

Наиболее близким техническим решением является способ обнаружения групповой цели [Патент РФ №2298806 (приоритет от 10.10.2005 г.), МПК G01S 13/04, 13/56]. Сущность способа заключается в том, что выделяют квадратурные составляющие комплексной огибающей принятого антенной сигнала, в каждой квадратурной составляющей осуществляют преобразование сигнала в цифровую форму, в пределах интервала, равного длительности зондирующего импульса, производят суммирование цифровых отсчетов, подвергают полученные в результате суммирования N отсчетов амплитудному взвешиванию, осуществляют фильтровую обработку по алгоритму N-точечного быстрого преобразования Фурье (БПФ), вычисляют модуль комплексной огибающей сигнала на выходе доплеровских фильтров, в стробе дальности выбирают множество смежных доплеровских фильтров, определяют первую доплеровскую частоту f₁ из названного множества смежных доплеровских фильтров как частоту фильтра jmax1 с максимальной амплитудой сигнала, для всех остальных стробов дальности определяют отношение амплитуды сигнала b_k в фильтре jmax1 k-го строба к амплитуде сигнала в фильтре jmax1 строба kmax :

,

находят квадратурные составляющие напряжения , , равные разностям модулей соответствующих квадратурных составляющих сигнала в фильтре jmax1 k-го строба и произведений, найденных отношений амплитуд сигналов b_k на модули соответствующих квадратурных составляющих сигнала в фильтре jmax1 строба kmax:

,

,

получают амплитуду напряжения , величина которой характеризует состав цели (одиночная или групповая) как

,

сравнивают полученную амплитуду напряжения с амплитудой напряжения η, характеризующей порог обнаружения, который устанавливают, исходя из требуемого значения вероятности ложного обнаружения групповой цели, при превышении порога принимают решение об обнаружении групповой цели в стробе дальности.

Недостатками способа-прототипа являются невозможность определения количества и дальностей до отдельных целей в составе групповой в случае, когда доплеровские частоты их эхосигналов практически совпадают, и отсутствует разрешение по дальности и угловым координатам.

Изобретение решает задачу: после обнаружения групповой цели согласно способу-прототипу обеспечить возможность определения количества и дальностей до отдельных целей в составе групповой, в том числе в случае, когда доплеровские частоты сигналов отдельных целей находятся в пределах одного доплеровского фильтра N-точечного БПФ и отсутствует разрешение по дальности и угловым координатам.

Решение задачи заключается в том, что после определения первой доплеровской частоты f₁ как частоты фильтра jmax1 с максимальной амплитудой сигнала умножают составленный из комплексных амплитуд сигналов всех стробов дальности в фильтре с частотой jmax1 вектор Z на заранее рассчитываемую обратную автокорреляционную матрицу, сравнивают модули элементов полученного в результате умножения вектора E с пороговыми значениями, которые устанавливают, исходя из требуемых значений вероятностей ложных решений, при превышении порога i-м элементом вектора E принимают решение о наличии сигнала отдельной цели в составе групповой с дальностью, соответствующей i-му стробу.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ разрешения групповой цели, где 1 - фазовый детектор, 2 - фильтр нижних частот, 3 - аналого-цифровой преобразователь, 4 - сумматор, 5 - антенна, 6 - приемник, 7 - гетеродин, 8 - процессор обработки сигналов, 9 - фазовращатель на 90°. На фиг.2 представлена схема, поясняющая последовательность преобразования сигнала в процессоре обработки сигналов 8. На фиг.3-5 приведены диаграммы, демонстрирующие возможность определения предлагаемым способом количества и дальностей до отдельных целей в составе групповой, в том числе в случае, когда доплеровские частоты сигналов отдельных целей находятся в пределах одного доплеровского фильтра N-точечного БПФ, и отсутствует разрешение по дальности и угловым координатам. На фиг.3-5 приведены результаты обработки согласно предлагаемому способу по дальностным стробам фильтра jmax1. На фиг.3 представлены результаты обработки сигналов для одноцелевой ситуации, на фиг.4 - для двухцелевой и на фиг.5 - для трехцелевой. При этом пеленги отдельных целей равны, частоты Доплера отдельных целей равны f₁, а для многоцелевых ситуаций расстояние между отдельными целями в десять раз меньше интервала разрешения по дальности.

Суть изобретения состоит в следующем. Известно, что отклик на сумму входных воздействий для линейных систем, к которым относится и когерентно-импульсные РЛС, представляет собой суперпозицию откликов на каждое воздействие. То есть отклик схемы корреляционно-фильтровой обработки на смесь эхосигналов отдельных целей из состава групповой есть не что иное, как сумма откликов на эхосигнал каждой отдельной цели. Отклик по дальностным стробам фильтра jmax1 схемы корреляционно-фильтровой обработки на эхосигнал отдельной цели представляет собой смещенную на время запаздывания автокорреляционную функцию зондирующего сигнала, умноженную на комплексную амплитуду эхосигнала.

Проведя обратное линейное преобразование выходного сигнала дальностных стробов фильтра jmax1, определяют значения комплексных амплитуд эхосигналов отдельных целей из состава групповой на всех дальностях, соответствующих формируемым стробам. Времена запаздывания эхосигналов реальных отдельных целей соответствуют определенным стробам дальности. В этих стробах после вышеуказанного обратного линейного преобразования формируются комплексные амплитуды этих эхосигналов. В остальных стробах формируются нули, так как отсутствуют эхосигналы реальных целей с соответствующими дальностями.

При наличии шумов наблюдения в тех дальностных стробах, где отсутствуют реальные эхосигналы, будут получены значения, близкие к нулю. Сравнив модули полученных оценок амплитуд с порогами, установленными, исходя из требуемых значений вероятностей ложных решений, оценивают количество и дальности до отдельных целей из состава групповой. При этом потенциальная разрешающая способность определяется взаимным расположением дальностных стробов, которое предлагается устанавливать меньшим классического интервала разрешения по дальности.

Для получения конкретной зависимости, связывающей амплитуды эхосигналов отдельных целей из состава групповой с выходным сигналом дальностных стробов фильтра jmax 1, введем ряд обозначений.

Пусть D₁,D₂,D₃=…=D_n дальности до целей, соответствующие стробам фильтра jmax1 (D₂-D₁=D₃-D₂=…=D_n-D_n-1=ΔD). Из сигналов на выходе стробов фильтра jmax1 формируется вектор Z=[Z₁ Z₂…Z_n]^T, T - оператор транспонирования.

Поставив в соответствие каждому стробу дальности некоторую амплитуду эхосигнала отдельной цели из состава групповой, то есть формально предположив, что в обрабатываемом сигнале присутствуют эхосигналы отдельных целей дальностями, соответствующими всем стробам фильтра jmax1, запишем вектор комплексных амплитуд этих эхосигналов: E=[E₁ E₂…E_n]^T. Так как в составе реальной групповой цели может присутствовать разное количество одиночных целей, то отдельные элементы вектора E в действительности равны нулю.

Если в обрабатываемой реализации присутствует только эхосигнал цели на дальности D₁ с комплексной амплитудой Е₁, а амплитуды остальных целей равняются нулю (E₂=E₃=…=E_n=0), то вектор Z в отсутствие шумов наблюдения принимает вид

где ξ(D) - автокорреляционная функция зондирующего сигнала.

Аналогично, в случае, когда в обрабатываемой реализации присутствуют все n целей, соответствующих всем стробам фильтра jmax1, то:

В формуле (1) учтен тот факт, что значение автокорреляционной функции для отрицательного значения аргумента является комплексно сопряженным (оператор (^*)).

Обозначив переменной Q матрицу значений автокорреляционной функции (автокорреляционную матрицу):

формулу (1) запишем в виде линейного матричного уравнения с неизвестным вектором E:

Для нахождения E из уравнения (3) домножим слева его обе части на матрицу Q ^-1, обратную к Q:

При отсутствии шумов наблюдения в результате вычисления E согласно (4) формируются комплексные амплитуды эхосигналов реальных целей в стробах, соответствующих их дальностям. Остальные элементы вектора E равняются нулю. В реальных радиолокационных системах присутствуют шумы наблюдения, это означает, что вектор Z в (1) будет несколько искажен, и элементы вектора E также вычисляются с некоторой погрешностью. Поэтому для принятия решения о количестве и дальностях до отдельных целей из состава групповой необходимо сравнивать модули элементов вектора E с пороговыми значениями. Последние выбираются, исходя из требуемых значений вероятностей ложных решений.

Потенциальная разрешающая способность РЛС при реализации предлагаемого способа и увеличении отношения сигнал - шум определяется взаимным расположением дальностных стробов ΔD, т.е. может быть существенно меньшей классического интервала разрешения по дальности. Уменьшение величины ΔD позволит снизить инструментальную составляющую ошибок оценивания количества и дальностей отдельных целей.

Осуществляется предлагаемый способ обработки в импульсно-доплеровской РЛС. Один из вариантов структурной схемы устройства, реализующего предлагаемый способ обнаружения групповой цели, представлен на фиг.1. Принятый антенной 5 сигнал поступает на вход приемника 6. Для обеспечения когерентной обработки сигнал с выхода приемника 6 с помощью двух фазовых детекторов 1, гетеродина 7, фазовращателя на 90° 9 и двух фильтров нижних частот 2 разделяется на квадратурные составляющие. В аналого-цифровых преобразователях 3 производится формирование последовательности цифровых отсчетов квадратурных составляющих сигнала. Далее, в сумматорах 4 осуществляется суммирование цифровых отсчетов квадратурных составляющих сигнала. Суммирование производится в пределах интервалов, равных длительности зондирующего импульса (дальностных стробов).

Вся дальнейшая обработка сигнала происходит в процессоре обработки сигналов 8. На фиг.2 представлена схема, поясняющая последовательность преобразования сигнала в процессоре обработки сигналов 8. Полученные в результате суммирования в каждом стробе отсчеты подвергают амплитудному взвешиванию и осуществляют фильтровую обработку по алгоритму БПФ. Затем вычисляют модуль комплексной огибающей сигнала на выходе доплеровских фильтров. Далее в стробе дальности kmax выбирают множество смежных доплеровских фильтров. Из выбранного множества смежных доплеровских фильтров определяют доплеровскую частоту f₁ как частоту фильтра jmax1 с максимальной амплитудой сигнала. Из комплексных амплитуд сигналов на выходах всех стробов дальности в фильтре с частотой jmax1 составляют вектор Z. Затем в отличие от способа-прототипа, в котором для каждого строба дальности вычисляется величина согласно выражениям (1)-(4), характеризующая отличия наблюдаемых откликов стробов от откликов сигнала одиночной цели, в предлагаемом способе вычисляют непосредственно оценку вектора комплексных амплитуд составляющих сигнала групповой цели E, для чего умножают вектор Z на заранее рассчитанную согласно формуле (2) обратную автокорреляционную матрицу Q ^-1. Сравнивают модули элементов полученного в результате умножения вектора E с пороговыми значениями, которые устанавливают, исходя из требуемых значений вероятностей ложных решений. При превышении порога i-м элементом вектора E принимают решение о наличии сигнала отдельной цели в составе групповой с дальностью, соответствующей i-му стробу.

Подтверждение получения вышеуказанного технического результата при осуществлении предлагаемого способа проводилось с помощью математического моделирования.

Моделировались три ситуации: в обрабатываемом сигнале присутствуют эхосигналы одной (фиг.3), двух (фиг.4) и трех (фиг.5) целей с равными амплитудами.

На фиг.3-5 приведены диаграммы, демонстрирующие возможность оценивания предлагаемым способом количества и дальностей до отдельных целей в составе групповой, в том числе, когда доплеровские частоты сигналов отдельных целей находятся в пределах одного доплеровского фильтра N-точечного БПФ и отсутствует разрешение по дальности и угловым координатам. На фиг.4-5 расстояние между целями составляет одну десятую стандартного интервала разрешения по дальности. Истинные значения дальностей до целей на фиг.3-5 обозначены вертикальными стрелками.

Из фиг.3-5 видно, что сравнение модулей элементов вектора E с пороговыми значениями позволит определить количественный состав групповой цели и измерить дальности до отдельных целей из состава групповой с точностью до расстояния между стробами по дальности ΔD. Причем значение ΔD ограничивается, в основном, вычислительными возможностями ЭВМ РЛС.

Использование изобретения в бортовых, наземных и корабельных РЛС не потребует изменения их принципов построения, режимов работы, существенных вычислительных затрат и позволит с высокой эффективностью разрешать отдельные цели в группе при отсутствии разрешения по угловым координатам, дальности и частоте Доплера.