Результат интеллектуальной деятельности: Способ определения поперечных размеров цели по данным двух разнесенных позиций в многопозиционных РЛС с учетом их поляризационно-рассеивающих свойств

Изобретение относится к локационной технике, а именно к способам построения обнаружителей сигналов в многопозиционных радиолокационных системах.

Известно устройство радиолокационного распознавания воздушных объектов, состоящее из последовательно соединенных блока обработки радиолокационной информации, формирователя доплеровских портретов, классификатора первого уровня и классификатора второго уровня, три входа которого соединены с тремя выходами классификатора первого уровня, а выход является выходом всего устройства, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные со вторым выходом блока обработки радиолокационной информации вычислитель модуля трассовой скорости и пороговое устройство, выход которого соединен со вторым входом классификатора первого уровня, и формирователь эталонных данных, выход которого соединен с третьим входом классификатора первого уровня.

Известен триангуляционный способ построения двумерного радиолокационного изображения воздушной цели в РЛС с инверсным апертурным синтезом и узкополосным зондирующим сигналом. Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для повышения качества распознавания воздушных целей. Цель изобретения - повысить точность построения радиолокационного изображения, чем снизит ошибки распознавания целей. Для этого предлагается анализировать структуру доплеровских портретов цели, полученных при изменении ракурса локации на 0,5°. На основе анализа расчетным путем определяются координаты локальных рассеивателей поверхности цели в системе координат, связанной с центром сопровождения цели. Способ инвариантен к положению и изменению доплеровской частоты центра сопровождения цели, а также лишен множества ошибок построения изображения, связанных с различными допущениями, принятыми в прототипе [1].

Известно устройство радиолокационного распознавания воздушных объектов, состоящее из последовательно соединенных блока обработки радиолокационной информации, формирователя доплеровских портретов, классификатора первого уровня и классификатора второго уровня, а также из блока эталонных доплеровских портретов, выход которого соединен со вторым входом классификатора первого уровня, три выхода которого соединены с тремя входами классификатора второго уровня, выход которого является выходом всего устройства, отличающееся тем, что в него введены последовательно соединенные вычислитель вертикальной составляющей скорости, вычислитель трассовой скорости и параметрический классификатор, выход которого соединен с четвертым входом классификатора второго уровня, второй выход блока обработки радиолокационной информации соединен со входом вычислителя вертикальной составляющей скорости и вторым входом параметрического классификатора, а третий его выход - со вторым входом вычислителя трассовой скорости.

Известен многополяризационный способ распознавания воздушных целей. Способ предусматривает облучение летательного аппарата, выбранного для распознавания, последовательностями импульсных сигналов, в которых каждый импульс имеет определенную, отличную от других, поляризацию, прием отраженных сигналов и их анализ, позволяющий сформировать поляризационный портрет цели, используемый в качестве информативного признака распознавания [2].

Все выше перечисленные способы и устройства не учитывают преимуществ многопозиционной радиолокации. Благодаря одновременному наблюдению цели с различных направлений объем сигнальной информации в МП РЛС существенно возрастает по сравнению с однопозиционной РЛС. Измеряя амплитуду, фазу и поляризацию принятых разнесенными позициями сигналов, можно определять размеры, форму и характеристики собственного вращения цели точнее и за меньшее время.

Воспользуемся методами спектрального анализа и применим их к измерениям огибающих квадратов амплитуд сигналов, принимаемых одновременно разнесенными в пространстве РЛС или вынесенными приемными позициями на взаимно-ортогональных поляризациях. В этом случае комплексные амплитуды сигналов будут пропорциональны комплексным амплитудам поляризационной матрицы рассеяния (ПМР), которые в свою очередь зависят от ракурса наблюдения цели . Они могут быть записаны в соответствии с выражением:

где - волновое число;

- координата n-го рассеивателя в продольном направлении (вдоль оси X);

- координата n-го рассеивателя в поперечном направлении (вдоль оси Y).

Здесь и в дальнейшем - модуль комплексного коэффициента отражения цели при излучении сигнала 1-й РЛС на j-ой поляризации и его приеме k-ой приемной позицией на i-ой поляризации (фиг. 2).

Если МП РЛС содержит одну приемо-передающую, а остальные приемные позиции, то в этом случае комплексные элементы ПМР будут описываться выражением:

где .

При этом предполагалось, что ось X совпадает с линией визирования приемопередающей позиции. Если предположить, что измерения проводятся в небольшом секторе углов , то можно считать , а . В этом случае выражения (1) и (2) примут вид:

где ; .

Интенсивности сигналов, принимаемых МП РЛС, будут пропорциональны квадратам амплитуд элементов ПМР, которые могут быть найдены с использованием выражений (3) и (4). Например, при использовании (3) можно получить:

Аналогичное выражение можно получить при использовании (4). Как видно из выражения (5), результаты измерений сигналов в МП РЛС пропорциональны суммарной эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) всех отражающих элементов цели, а также сумме гармоник, период которых определяется разностными координатами рассеивателей в поперечном направлении, а амплитуды сигналов, отраженные рассеивателями, пропорциональны произведению амплитудных элементов.

Итак, применяя к результатам измерений интенсивностей сигналов, принятых МП РЛС на взаимно-ортогональных поляризациях, методы спектрального анализа, можно определить характеристики цели в поперечном направлении. Обычно энергетический спектр, найденный по измерениям интенсивностей сигналов, называют некогерентным «портретом» цели.

В дальнейшем энергетический спектр флуктуации интенсивностей сигналов, принятых в МП РЛС, будем называть некогерентным «портретом» (НП) цели в поперечном направлении. При этом НП цели в поперечном направлении, найденный по измерениям интенсивности сигнала на основной поляризации, будет характеризовать распределение всех, а на кроссовой - только деполяризующих рассеивателей в поперечном направлении. Однако, поскольку измерения на кроссовой поляризации производятся при отношениях сигнал/шум на (6÷10) дБ меньше, чем на основной, то информация о геометрических характеристиках, получаемая на кроссовой поляризации, будет с большими ошибками. Для уменьшения ошибок за счет низкого отношения сигнал/шум при определении поперечных размеров между деполяризующими рассеивателями цели можно использовать совместно измерения амплитуд и разности фаз сигналов, принятых в каждой приемной позиции на взаимно-ортогональных поляризациях. В этом случае в каждой приемной позиции будут измеряться комплексные амплитуды сигналов, полученные в результате перемножения комплексных амплитуд сигналов, принятых на взаимно-ортогональных поляризациях. Эти измерения будут пропорциональны произведению комплексных элементов ПМР, характеризующих рассеивающие свойства цели на основной и кроссовой поляризациях, которое может быть найдено при использовании выражений (3) или (4). Например, при использовании выражения (3) можно получить:

Аналогичное выражение можно получить и при использовании выражения (4). В (6) N обозначает количество всех рассеивателей, a - деполяризующих. Как видно из выражения (6), измерения, полученные в результате перемножения комплексных амплитуд сигналов на взаимно-ортогональных поляризациях, принятых в каждой позиции МП РЛС, пропорциональны сумме комплексных гармоник, период которых определяется разностными координатами деполяризующих и не деполяризующих рассеивателей, а амплитуда равна произведению амплитудных элементов ПМР, характеризующих преобразование поляризации при отражении. Следовательно, применяя процедуру спектрального анализа к таким измерениям, можно получить информацию о поперечных расстояниях между парами всех рассеивателей, между парами деполяризующих, а также тех и других одновременно.

Рассмотрим случай, когда измерения интенсивностей сигналов в МП РЛС производится равнодискретно по углу в полярной системе координат с центром, совпадающим центром масс, в виде:

где ;

- квадрат амплитудного элемента ПМР, характеризующий интенсивность сигнала, принятого k-ой позицией МП РЛС на соответствующей поляризации;

- дельта функция;

- количество измерений;

- дискретность измерения по углу.

Применяя к данным измерениям преобразование Фурье, получим:

где - текущая координата вдоль оси ;

- оператор обратного преобразования Фурье;

- спектр измерений, представленных выражением (7).

Для получения НП цели в поперечном направлении необходимо найти модуль функции:

В случае если необходимо определять распределение рассеивателей с учетом их деполяризующих свойств, то процедуру спектрального анализа необходимо применять к комплексным измерениям, полученным в результате перемножения комплексных амплитуд сигналов, принятых на взаимно-ортогональных поляризациях в каждой приемной позиции. Если измерения производятся равнодискретно по углу, то их можно представить в виде:

В отличие от измерений, представленных выражением (7), данные измерения являются комплексными. При этом фаза каждого измерения равна разности фаз сигналов, принятых на взаимно-ортогональных поляризациях в каждой позиции МП РЛС. Таким образом, при данном способе обработки сигналов производится дополнительный учет фазовой структуры поля, рассеянного целью без привязки по фазе приемных позиций МП РЛС между собой. Применяя к данным измерениям преобразование Фурье, получим:

где - спектр когерентных измерений комплексных амплитуд сигналов, отраженных от цели и принятых различными приемными позициями МП РЛС на взаимно-ортогональных поляризациях, модуль которого является когерентным портретом цели в поперечном направлении;

- оператор свертки.

Таким образом, из выражения (11) видно, что функция является сверткой функций и , модули которых являются когерентными портретами цели в поперечном направлении на основной и кроссовой поляризациях. Модуль функции будет одновременно характеризовать распределение всех рассеивающих центров и только деполяризующих в поперечном направлении и может быть найден в соответствии с выражением:

Однако использование преобразования для построения НП в поперечном направлении имеет ряд недостатков, которые обусловлены ограниченностью интервала измерений по углу .

Применяя преобразование Фурье к участку измерений, представленных, например, в виде произведения (7) или (10), фактически находится спектр процесса, который представляется в виде произведения двух функций, вид которых показан на фиг. 3, а:

где - функция «окна» наблюдения;

- измерения, ограниченные по углу .

Функция (фигура 3, г) в этом случае получается в виде свертки двух функций:

Первая из этих функций будет определяться распределением рассеивателей в поперечном направлении полностью определяется видом функции «окна» . Аналогичные рассуждения справедливы и для функции . Например, если «окно» прямоугольное, то преобразование Фурье от него будет иметь вид (фигура 3, в):

А функции или будут представлять собой суперпозицию функций с различными весами. При этом разрешающая способность будет определяться протяженностью данной функции по уровню 0,5 и составит при одинаковых коэффициентах отражения разрешаемых рассеивателей. Кроме того, функция имеет боковые лепестки, уровень первого из которых составляет - 13,6 дБ, что может приводить к маскировке отдельных рассеивателей с малыми коэффициентами отражения. С целью снижения уровня боковых лепестков возможно применение непрямоугольных «окон», например «хемминга», и др. Но в этом случае ухудшается разрешающая способность и возникают потери, для компенсации которых необходимо увеличивать отношение сигнал/шум, а также увеличивать интервал измерений по углу.

Кроме того, поскольку центральный пик НП цели в поперечном направлении является максимальным из всех пиков, то и боковые лепестки, соответствующие этому пику, имеют максимальный уровень из всех остальных, что может привести к маскировке соседний пиков. Поэтому желательно исключить центральный пик из НП цели в поперечном направлении, поскольку он не несет информации о геометрических характеристиках цели. Это можно сделать, исключив постоянную составляющую из исходных измерений, в соответствии с выражением:

В этом случае НП цели в поперечном направлении будет иметь пики, соответствующие только разностным координатам рассеивателей. Аналогичные результаты могут быть получены при наличии в системе двух позиций, одна из которых приемо-передающая, а вторая - приемная. В этом случае измерения производятся последовательно во времени при наличии относительного движения цели. Вынесенная позиция при этом может быть использована для определения угловой скорости вращения цели, с целью масштабирования полученных измерений по углу и построения некогерентного портрета в поперечном направлении. Аналогичное использование двух разнесенных РЛС при проведении взаимной корреляционной обработки квадратов огибающих амплитуд принимаемых сигналов позволяет также определить скорость относительного вращения цели и использовать ее для масштабирования измерений по углу поворота цели. Одним из признаков распознавания целей может явиться их эффективная протяженность (эффективный размер) НП в поперечном направлении , которая может быть найдена из выражения:

где функция может обозначать или нормированную функцию , описываемую выражением (8), или нормированную функцию , описываемую выражением (11);

- нормирующий коэффициент.

При этом эффективный размер будет характеризовать соответственно, расстояния между всеми или только деполяризующими рассеивателями, или теми и другими одновременно. Нормирующий коэффициент находится из условия:

и может быть найден в соответствии с выражением:

Воспользовавшись равенством Парсеваля, можно получить, например, для функции следующее выражение:

Аналогичное выражение можно получить и для . Если измерения представлены в равнодискретном виде, например, в виде (7) или (10), выражение для нормирующего коэффициента с учетом (20) будет иметь вид:

Для того чтобы понять физическую сущность данного признака рассмотрим простейший идеализированный пример. Предположим, что цель состоит из двух рассеивателей, расстояние между которыми в поперечном направлении равно . Выражение, описывающее нормированный НП, можно записать в виде:

Квадрат эффективного размера такого идеализированного НП цели в поперечном направлении, найденного в соответствии с выражением (17), будет равен:

Таким образом, из выражения (23) видно, что квадрат эффективного размера НП цели в поперечном направлении является весовой суммой квадратов разностных координат между рассеивателями с весами, пропорциональными произведению их коэффициентов отражения на соответствующих поляризациях. Для получения выражения, которое позволяет определить эффективный размер непосредственно по измерениям вида (7), (10) воспользуемся выражением (20) и свойством преобразования Фурье:

Аналогично это свойство может быть записано и для функции . С учетом выражения (24) квадрат эффективного размера может быть найден:

Если измерения представлены в равнодискретной форме в виде (7), тогда выражения для квадрата эффективного размера может быть записано в виде:

Для получения непосредственного эффективного размера дополнительно необходимо извлечь квадратный корень. Аналогично может быть получено выражение для измерений представленных формулой (10). Можно показать, что эффективный размер определяется коэффициентом корреляции между измерениями, а также их средним значением и дисперсий , следующим образом:

где - коэффициент корреляции между измерениями и сдвинутыми на один отсчет .

Из данного выражения можно определить диапазон измерения . Учитывая, что может изменяться в пределах , будет принимать значения от 0 до , где - интервал однозначности.

Следовательно, величина будет определять эффективный размер в долях интервала однозначности.

Таким образом, можно сделать вывод, что эффективный размер НП цели в поперечном направлении характеризует геометрические размеры цели в поперечном направлении, а также учитывает рассеивающие свойства отдельных элементов конструкции цели. Кроме того, данный признак может быть рассчитан по измерениям, полученным в МП РЛС без существенных вычислительных затрат. Этот признак также может быть получен аналогично вышеизложенному при наличии одной приемопередающей и одной приемной позиции.

Используя полученные выше выводы, разработан способ определения распределения рассеивателей цели в поперечном направлении с учетом их поляризационно-рассеивающих свойств. Как было показано выше, отношение сигнал/шум на кроссовой поляризации существенно меньше, чем на основной. Поэтому для определения поперечных размеров с учетом размеров между деполяризующими рассеивателями целесообразно использовать произведения измерений на взаимно-ортогональных поляризациях с учетом их разности фаз.

При наличии в системе РЛС только двух позиций, одна из которых приемо-передающая, а вторая только приемная, измерения производятся последовательно во времени. Это возможно только при наличии относительного движения цели. Вынесенная позиция при этом используется для определения угловой скорости вращения с целью масштабирования полученных измерений (Фиг. 5). Для реализации этого способа необходимо иметь две РЛС, одна из которых приемопередающая, а другая - только приемная. Приемо-передающая РЛС содержит схему выделения огибающей (СВО) амплитуд сигналов, принятых на основной поляризации, необходимую для работы блока определения угловой скорости вращения цели, и две схемы выделения огибающих амплитуд сигналов с выходов фазовых детекторов (ФД). Приемная РЛС содержит антенну, рассчитанную на прием сигналов основной поляризации. Порядок действий, позволяющих реализовать данный способ, следующий. По флуктуациям интенсивностей сигналов, принятых совмещенной и вынесенной приемными позициями, при использовании информации от датчиков об угловом положении (ДУП) цели, определяется угловая скорость вращения цели. В зависимости от величины угловой скорости вращения с помощью управляемого генератора импульсов (G) меняется скорость съема информации с выходов приемо-передающей РЛС. Последовательность измерений, полученных в результате опроса обоих выходов приемо-передающей РЛС, в течение некоторого времени накапливается в соответствующих накопителях. При этом на выходе накопителя формируется величины вида:

По окончании накопления полученные измерения поступают на входы фазовых преобразователей (ФП) (или любого другого анализатора спектра), который характеризует распределение как всех, так и только деполяризующих рассеивателей цели в поперечном направлении.

Предложенное изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

Фиг. 1 - поляризационная матрица рассеяния.

Фиг. 2 - - модуль комплексного коэффициента отражения цели при излучении сигнала 1-й РЛС на j-ой поляризации и его приеме k-ой приемной позицией на i-ой поляризации.

Фиг. 3 - некогерентный портрет, полученный по измерениям с исключенным средним значением.

Фиг. 4 - НП цели.

Фиг. 5 - схема способа, позволяющего реализовать описанные операции.

На Фиг. 1 использовались следующие обозначения:

1 X;

2. Y;

3. Z;

4. β;

5. X_n;

6. ε_n;

7. ρ_n;

8. Y_n.

На Фиг. 2 использовались следующие обозначения:

1. X;

2. Y;

3. Z;

4. m;

5. 1;

6. ;

7. k;

8. ;

9. ;

10. ;

11. ;

12. ;

13. ;

14. ;

15. ;

16. β_m;

17. ;

18. β_k.

На Фиг. 3 использовались следующие обозначения:

1. ;

2. ;

3. ;

4. ;

5. ;

6. .

На Фиг. 4 использовались следующие обозначения:

1. ;

2. Y;

3. ;

4. .

На Фиг. 5 использовались следующие обозначения:

1. Приемо-передающий РЛК.

2. Приемный РЛК.

3. Передатчик.

4. Антенный переключатель.

5. Приемник.

6. Датчик об угловом положении.

7. Фазовращатель на π/2.

8. Сумматор.

9. Схема выделения огибающей.

10. Фазовый детектор.

11. Измеритель Ω.

12. Генератор.

13. Ключ.

14. Накопитель.

15. Фазовый преобразователь.

16. Индикатор.

Литература

1. RU 2099742, 1997.

2. RU 2139553, 1999.