Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ИДЕНТИФИКАЦИИ ВОЗДУШНЫХ ОБЪЕКТОВ ПО СТРУКТУРЕ ДАЛЬНОСТНОГО ПОРТРЕТА

Изобретение в виде усовершенствованного устройства идентификации воздушных объектов по структуре дальностного портрета относится к радиолокационной технике и может быть использовано для радиолокационной идентификации воздушных объектов (летательных аппаратов) на всевозможных дальностях и ракурсах локации.

Известна радиолокационная станция (РЛС) с автоматическим фильтром распознавания [1], в которой распознавание и идентификация объектов могут быть осуществлены оператором путем сравнения принимаемых эхо-сигналов с эталонными радиоимпульсными портретами известных воздушных объектов (ВО), то есть путем сравнения радиолокационных портретов реальной и эталонных ВО. Одновременно известно, что при применении указанной РЛС можно добиться более эффективной идентификации радиолокационных ВО, если вместо радиолокационных портретов оценивать сигналы, представляющие собой сумму радиоимпульсов, отраженных отдельными рассеивающими центрами (РЦ) поверхности цели. Радиолокационная станция с автоматическим фильтром распознавания включает передатчик, гетеродин, цифровое управляющее устройство (ЦУУ), последовательно соединенные антенну, антенный переключатель, усилитель высокой частоты (УВЧ), смеситель, усилитель промежуточной частоты (УПЧ), автоматический фильтр распознавания (АФР), детектор и индикатор, причем второй вход антенного переключателя связан с выходом передатчика, второй вход смесителя - с выходом гетеродина, а второй вход АФР - с выходом ЦУУ.

Данная РЛС использует для зондирования мощные линейно-частотно-модулированные (ЛЧМ) импульсы, что позволяет распознавать ВО на больших дальностях. Однако вероятность распознавания в такой РЛС нуждается в повышении, так как зрительно-идентификационные возможности оператора РЛС ограничены. Оператор не может держать в памяти большое количество эталонов дальностных портретов, критичных к ракурсу локации объектов. В случае же распознавания по сумме сигналов, отраженных различными РЦ, вероятность перепутывания ВО разных типов может быть еще больше, так как разное количество РЦ на поверхности разных объектов, имея различные интенсивности отражения и радиальное геометрическое расположение, не исключает одинакового результирующего суммарного сигнала, определяющего класс или тип. Информация о различии интенсивностей отражения у различных РЦ в данном случае, к сожалению, не используется, поскольку в типовых РЛС с ЛЧМ-сигналами перед оптимальным фильтром сжатия (местоположение которого в [1] не указано) ставится ограничитель амплитуд сигналов, обеспечивающий нормальную работу фильтра и исключающий его перегрузку.

Известно также устройство идентификации воздушных объектов по структуре дальностного портрета [2], содержащее передатчик, гетеродин, ЦУУ, индикатор, систему управления антенной (СУА), систему измерения дальности (СИД), дисперсионную ультразвуковую линию задержки (ДУЗЛЗ), К аналого-цифровых преобразователей (АЦП), (К-1) линий задержки, запоминающее устройство (ЗУ), коммутатор, инвертор кода, схему «И», последовательно соединенные амплитудный ограничитель (АО), амплитудный детектор (АД) и дифференцирующую цепь (ДЦ), а также последовательно соединенные антенну, антенный переключатель (АП), УВЧ, смеситель, УПЧ, причем второй вход антенного переключателя связан с выходом передатчика, второй вход смесителя - с выходом гетеродина, выход дифференцирующей цепи соединен со вторым входом ЦУУ, первый вход которого связан с выходом СИД, а третий - со вторым выходом СУ А, первый выход которой механически связан с антенной, а вход связан с выходом УПЧ, входом СИД и входом амплитудного ограничителя, выход которого также связан со входом ДУЗЛЗ, выход которой подключен ко входу первого из К аналого-цифрового преобразователя и входу первой из (К-1) линии задержки, выход каждой k-й с первой по (К-2)-ю линии задержки соединен со входом соответствующей (k+1)-й линии задержки и входом соответствующего (k+l)-го АЦП, выход (К-1)-й линии задержки связан со входом К-го аналого-цифрового преобразователя, выход каждого k-го из К аналого-цифровых преобразователей соединен с соответствующим k-м входом ЗУ, каждый k-й из К выходов которого связан с соответствующим k-м входом коммутатора, каждый k-й из К выходов которого связан одновременно с соответствующим k-м входом схемы «И» и k-м выходом инвертора кода, вход которого связан с управляющим входом коммутатора и вторым выходом цифрового управляющего устройства, первый выход которого связан с первым управляющим входом запоминающего устройства, а третий - со вторым управляющим входом запоминающего устройства, выходом схемы «И» и первым входом индикатора, второй вход которого подключен к четвертому выходу цифрового управляющего устройства.

Работа данного устройства основана на формировании дальностного портрета (ДлП) объекта из отраженного ЛЧМ-сигнала с помощью оптимального сжатия отраженного сигнала на ДУЗЛЗ и сравнении полученного дальностного портрета с набором эталонных дальностных портретов. Дальностный портрет показывает распределение отражательных свойств объекта по радиальной координате. При совпадении факта наличия импульсных откликов (отражений) в элементах эталонного и реального ДлП принимается решение об отнесении ВО к определенному типу.

Главным недостатком описанного устройства является то, что при идентификации проверяется только факт наличия импульсного отклика от РЦ в определенном элементе разрешения, но абсолютно игнорируется его амплитуда. При этом известно, что в амплитуде импульсных откликов дальностного портрета заключена не менее важная информация, нежели их взаимное расположение (распределение вдоль линии визирования). Иначе говоря, при идентификации в отличие от прототипа [2] целесообразно учитывать также и амплитуду импульсных откликов. К тому же при сравнении сформированного в устройстве дальностного портрета (ДлП) реального ВО с эталонным портретом устанавливается только факт совпадения элементов, в которых присутствуют отражения от РЦ в виде импульсных откликов сжатого радиолокационного сигнала. В этом случае возможны ошибки идентификации, поскольку отсутствие отраженных сигналов в некоторых элементах продольного разрешения (элементах ДлП) не проверяется. Виной тому является использование коммутатора, закрывающего прохождение импульсных откликов от РЦ реального объекта в каналах, которым соответствует нулевой код эталонного ДлП. И все же главным недостатком устройства является то, что при сравнении эталонного и реального текущего ДлП не учитывается амплитуда импульсных откликов, хотя эта амплитуда является не менее важным признаком идентификации объектов.

Задачей изобретения является повышение достоверности автоматической идентификации воздушных объектов в квазиоптической области отражения радиоволн за счет установления более строгого взаимного соответствия между реальным и эталонным дальностными портретами, а именно за счет учета дополнительной информации об амплитудах импульсных откликов в структуре дальностного портрета.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в состав известного радиолокационного устройства идентификации воздушных объектов по структуре дальностного портрета [2] дополнительно вводят блок сравнения с эталонами (БСЭ), каждый k-й (всего их К) первый вход которого соединяют с соответствующим k-м выходом ЗУ, каждый k-й из К выходов БСЭ подключают к соответствующему k-му входу схемы «И», а каждый k-й (всего их К) второй вход БСЭ соединяют с соответствующим k-м вторым выходом ЦУУ.

Предложенное построение схемы радиолокационного устройства идентификации объектов по структуре дальностного портрета позволяет существенно повысить вероятность идентификации объектов за счет дополнительного учета амплитудной информации об интенсивностях импульсных откликов от РЦ в элементах разрешения ДлП ВО. А такие важные факторы, как учет взаимного расположения РЦ на поверхности планера, а также учет ракурса визирования продолжают использоваться в предлагаемом устройстве с еще большей эффективностью.

На чертеже представлена структурная схема устройства идентификации воздушных объектов по структуре ДлП. Устройство идентификации содержит СУ А 1, антенну 2, антенный переключатель 3, УВЧ 4, смеситель 5, УПЧ 6, АО 7, передатчик 8, гетеродин 9, СИД 10, АД 11, ДУЗЛЗ 12, ДЦ 13, ЦУУ 15, К АЦП 16, (К-1) ЛЗ 14, ЗУ 17, блок сравнения с эталонами (БСЭ) 18, схему «И» 29 и индикатор 20. При этом антенна 2, антенный переключатель 3, УВЧ 4, смеситель 5, УПЧ 6, СИД 10 и ЦУУ 15 соединены последовательно. Передатчик 8 связан со 2-м входом АЛ 3, а гетеродин 9 соединен со вторым входом смесителя 5. Выход УПЧ 6 связан также со входом СУА 1 и входом АО 7, выход которого связан со входом АД 11 и входом ДУЗЛЗ 12, выход которой соединен со входом первого АЦП 16 и входом первой ЛЗ 14. Выход каждой k-й с первой по (К-2)-ю ЛЗ 14 связан со входом соответствующей (к+1)-й ЛЗ 14 и входом соответствующего (k+l)-го АЦП 16. Выход (К-1)-й ЛЗ 14 подключен ко входу К-го АЦП 16. Выход каждого k-го из К АЦП 16 соединен с соответствующим k-м входом ЗУ 17, каждый k-й из К выходов которого связан с соответствующим k-м первым входом БСЭ 18, каждый k-й выход которого подключен к соответствующему k-му входу схемы «И» 19. Первый выход ЦУУ 15 подключен к первому управляющему входу ЗУ 17, третий выход - ко второму управляющему входу ЗУ 17, выходу схемы «И» 19 и первому входу индикатора 20, четвертый выход - ко второму входу индикатора 20. Выход АД 11 связан со входом ДЦ 13, выход которой соединен со вторым входом ЦУУ 15, третий вход которого подключен ко второму выходу СУА 1, первый выход которой механически связан с антенной 2.

Устройство идентификации воздушных объектов по структуре дальностного портрета работает следующим образом.

Передатчик 8 формирует импульсные ЛЧМ-сигналы, которые, поступая на второй вход АП 3, проходят через него в антенну 2 и излучаются в направлении воздушного объекта, выбранного для идентификации. Отразившись от ВО (от планера и вращающихся элементов двигателей летательного аппарата), радиоимпульсы принимаются антенной 2 и через АП 3 поступают на вход УВЧ 4, где происходит их предварительное усиление. Затем усиленные радиоимпульсы поступают на первый вход смесителя 5, на второй вход которого подается сигнал гетеродина 9. В результате частота заполнения радиоимпульсов понижается до промежуточной F_пр, и сигнал с выхода смесителя 5 поступает для основного усиления в УПЧ 6. С выхода УПЧ 6 усиленные по мощности радиоимпульсы на промежуточной частоте f_пр следуют на входы СУА 1, СИД 10 и АО 7.

Система управления антенной 1 постоянно подслеживает за положением ВО путем вычисления сигналов ошибки по угловым координатам (углу места ε и азимуту β). На основании величин сигналов ошибки СУА 1 воздействует на механический привод антенны 2, разворачивая антенну в направлении на ВО и стремясь свести сигналы ошибки к нулю. На чертеже это показано наличием у СУА 1 первого выхода, механически связанного с антенной 2.

Амплитудный ограничитель 7 производит ограничение амплитуды полезного сигнала промежуточной частоты f_пр до уровня, обеспечивающего нормальную работу ДУЗЛЗ 12. Для сохранения информации о геометрической структуре объекта ограничение производится путем пропорционального понижения амплитуды промодулированного отраженного сигнала, а не путем срезания амплитудных выбросов, превысивших порог. С выхода АО 7 отраженный от ВО сигнал, пониженный по амплитуде, поступает на вход ДУЗЛЗ 12, где проводится его оптимальное сжатие, а также на вход АД 11, выделяющего огибающую входного сигнала. На выходе ДУЗЛЗ 12 получают совокупность импульсных откликов, временная расстановка между которыми соответствует расстояниям между отдельными РЦ в радиальном направлении (вдоль линии визирования). Совокупность таких импульсных откликов, характеризующая структуру и размеры ВО по направлению линии визирования, принято именовать дальностным портретом (ДлП) объекта.

Для одновременного анализа наличия или отсутствия сигналов РЦ во всех дальностных интервалах отраженного от ВО сигнала применяется каскад из (К-1) линий задержки 14 и К АЦП 16. Число каналов К выбирается, исходя из необходимости просмотра структуры наиболее крупноразмерного ВО с радиальной протяженностью L_max, а также с учетом требуемой величины элемента разрешения по дальности δD. Величина δD в радиолокационной станции с оптимальным сжатием сигналов в ДУЗЛЗ определяется длительностью τ_{и сж} сжатого импульса δD=cτ_{и сж}/2=0,5c/Δf_лчм, где Δf_лчм - девиация частоты в ЛЧМ-импульсе, с - скорость распространения радиоволн. Следовательно, число каналов К, то есть число анализируемых дальностных (временных) интервалов или элементов радиального разрешения К, будет определяться зависимостью

K=L_max/δD=2L_max/(cτ_{и сж}).

К примеру, для L_max=50 м и Δf_лчм=30 МГц получаем К=10, а для L_max=50 м и Δf_лчм=150 МГц - соответственно К=50.

Пройдя каскад линий задержки, каждая из которых имеет время задержки t_з, равное величине τ_{и сж}, ДлП "расщепляется" на К составляющих, так что в момент, когда на входе первого АЦП 16 (на чертеже он справа) будет присутствовать сигнал последнего элемента (разрешаемого интервала) дальностного портрета ВО, на выходе (К-1)-й ЛЗ будет иметь место сигнал первого элемента разрешения ДлП δD₁. Наличие импульсного отклика в k-м канале (на выходе k-й ЛЗ) показывает наличие локального РЦ в определенном k-м элементе дальности δD_k.

Сигнал с выхода k-й из (К-1) ЛЗ 14 поступает на вход соответствующего (k+1)-го АЦП 16. На вход 1-го АЦП 16 поступает сигнал непосредственно с выхода ДУЗЛЗ 12. Все АЦП 16 предназначены для преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму. После перевода аналоговых сигналов в цифровой код АЦП 16 подают эти цифровые сигналы со своих выходов на соответствующие информационные (не управляющие) входы ЗУ 17, число которых равно числу элементов разрешения в ДлП К.

Запоминающее устройство 17 представляет собой цифровой блок памяти, аналоги которого широко применяются в настоящее время в цифровых вычислительных машинах, цифровых системах, устройствах и т.д. Оно может представлять собой совокупность регистров типа К555ИР32 [3, с.69, рис.98] или восьмиразрядных регистров типа К155ИР13 [4 с.109 рис.1.78]. В отличие от прототипа [2], в котором для каждого элемента разрешения δD выделялся один разряд или бит информации (ноль или единица, реализующие двоичный код), в данном ЗУ для каждого элемента разрешения должно быть предусмотрено несколько разрядов, так как требуется хранение значения амплитуды сигнала в каждом элементе разрешения δD. Число разрядов двоичного кода определяется динамическим диапазоном возможных величин амплитуды импульсных откликов, которые могут попасть в тот или иной элемент разрешения по дальности. Например, для обеспечения динамического диапазона порядка 48 дБ достаточно 16-ти разрядов, то есть двух восьмиразрядных регистров. В таком случае для хранения информации о дальностном портрете, состоящем из 128 элементов, в ЗУ необходимо использовать 256 восьмиразрядных регистров. Каждый информационный выход ЗУ 17 предназначен для передачи кода амплитуды импульсного отклика в одном из элементов разрешения.

Запоминающее устройство 17 имеет кроме информационных входов и выходов два управляющих входа. Первый управляющий вход служит для фиксации момента запоминания цифровой информации на К входах, связанных с выходами соответствующих К АЦП 16. Сигнал, разрешающий запоминание информации о ДлП, формируется в ЦУУ 15 по сигналу, поступающему на второй вход ЦУУ 15. Для формирования последнего отраженный от ВО сигнал на промежуточной частоте с выхода АО 7 подается на вход АД 11, где выделяется его огибающая, которая далее с выхода АД 11 поступает на вход ДЦ 13. Дифференцирующая цепь 13 генерирует положительный импульс, соответствующий моменту поступления на ее вход переднего фронта видеосигнала с выхода АД 11. Положительный импульс положения переднего фронта видеосигнала объекта поступает на второй вход ЦУУ 15, которое вырабатывает и подает со своего первого выхода в рассчитанный момент времени на первый управляющий вход ЗУ 17 сигнал, разрешающий одновременное запоминание цифровой информации с выходов К используемых АЦП 16. То есть сигналы на информационных входах ЗУ 17 должны проходить через встроенный в ЗУ K-канальный коммутатор (ключ), пропускающий их на входы регистров памяти только при наличии управляющего сигнала на первом управляющем входе ЗУ 17.

Запоминание сигналов с выходов К АЦП 16 необходимо для того, чтобы в течение некоторого промежутка времени иметь возможность проводить сравнение структуры эталонных ДлП объектов различных типов со структурой дальностного портрета реального идентифицируемого ВО, представленного сигналами на К выходах ЗУ 17. Для организации процесса такого сравнения на первый и третий входы ЦУУ 15 подаются соответственно сигналы с выходов СИД 10 (данный сигнал пропорционален дальности до объекта D) и СУА 1 (данный сигнал пропорционален угловым координатам объекта ε и β). На основе координатной информации об объекте и характере ее изменения во времени, в предположении, что вектор линейной скорости объекта совпадает с продольной осью летательного аппарата, ЦУУ 15 выбирает из банка данных эталонные дальностные портреты объектов различных типов, соответствующие вычисленному ракурсу локации, которые в виде вектора амплитуд откликов, принадлежащих элементам ДлП, через К вторых выходов ЦУУ 15 поступают одновременно на соответствующие К вторых входов БСЭ 18. Каждый k-й второй выход ЦУУ 15 соединен с соответствующим k-м вторым входом БСЭ 18. Информация об амплитуде импульсного отклика в k-м элементе разрешения δD_k передается с k-го второго выхода ЦУУ 15 в виде слова в двоичном коде из совокупности нулей и единиц. В 16-разрядном коде с помощью такого слова можно передавать числа в диапазоне от 0 до 65539.

С каждого k-го выхода ЗУ 17 информация об амплитуде отклика в k-м элементе разрешения δDk в виде двоичного слова поступает на соответствующий k-й первый вход БСЭ 18. Блок сравнения с эталонами 18 представляет собой специализированный цифровой процессор или электронную вычислительную машину, примеры реализации и применения которых приведены в [5, 6, стр.255, рис.7.1, стр.287, рис.7.10, стр.291, рис.7.11; 7, стр.77, рис.3.20, стр.79, рис.3.21, стр.133, рис.4.22]. В блоке 18 производится сравнение амплитуд импульсных откликов эталонного и реального ДлП. Информация об амплитуде откликов реального ДлП поступает на первые входы БСЭ 18, а информация об амплитуде откликов эталонного ДлП - на соответствующие вторые входы. Разница амплитуд (разность двоичных чисел) между каждым k-м первым входом и соответствующим k-м вторым входом БСЭ 18 сравнивается с порогом, допускающим некоторое расхождение эталона и реального ДлП (точного совпадения между ними быть не может вследствие наличия шумов, неточности определения ракурса и т.д.). При выполнении условия, чтобы разница была меньше установленного порога, на соответствующем k-м выходе БСЭ 18 формируется логическая единица. В противном случае на соответствующем k-м выходе БСЭ 18 формируется логический ноль. То есть каждый выход блока 18 передает один бит информации о совпадении или несовпадении амплитуд эталонного и реального ДлП в его соответствующем k-м элементе разрешения.

Логические цифровые сигналы с К выходов БСЭ 18 поступают на соответствующие входы схемы «И» 19, которая вырабатывает выходной сигнал только при наличии единичного значения кода на всех К своих входах одновременно. Таким образом, на выходе схемы «И» 19 появится сигнал только в том случае, если сформированный ДлП на выходах ЗУ 17 совпадает с эталонным дальностным портретом, пришедшим с вторых выходов ЦУУ 15 в блок сравнения с эталонами 18.

Одновременно с подачей на первый управляющий вход ЗУ 17 сигнала, разрешающего запоминание информации, поступающей одновременно (параллельно) на К входов ЗУ с АЦП, ЦУУ 15 подает со своего 4-го выхода на 2-й вход индикатора 21 сигнал, подготавливающий к включению информационное табло (лампа, светодиод и т.п.) наличия ВО i-го типа. При совпадении ДлП объекта с эталонным ДлП схема «И» 19 подает на 1-й вход индикатора 20 сигнал, по приходу которого включается табло, информирующее оператора радиолокационной станции о результатах идентификации. Выходной сигнал схемы «И» 19 используется также для перевода ЗУ 17 в исходное (ждущее) состояние, так как он автоматически поступает на 2-й управляющий вход ЗУ 17. В случае же, если ДлП ВО не соответствует ни одному из эталонов на выбранном ракурсе, сигнал перевода ЗУ 17 в исходное состояние поступает на его второй управляющий вход с третьего выхода ЦУУ 15. В этом случае объект признается неизвестным, а цикл идентификации возобновляется.

Как видно из описания предлагаемого устройства идентификации воздушных объектов по структуре дальностного портрета, оно лишено основного недостатка, свойственного прототипу [2]. Идентификация объектов учитывает в данном случае не только совпадение взаимного расположения РЦ поверхности ВО вдоль линии визирования, но и их амплитуды, что обеспечивает более высокие характеристики идентификации. При таком подходе к идентификации информация о типе ВО будет содержать меньше ошибок. Как и в прототипе [2] результат идентификации объектов с помощью предложенного устройства не зависит от обученности и личных качеств персонала, так как процесс идентификации полностью автоматизирован. Целесообразность использования предлагаемого технического решения определяется улучшением возможностей радиолокационной системы, ориентированной на идентификацию воздушных объектов.

Источники информации

1. Небабин В.Г., Сергеев В.В. Методы и техника радиолокационного распознавания. М.: Радио и связь, 1984, с.120-126, рис.4.11 (аналог).

2. Патент РФ №2095825. МПК⁷ G01S 13/02. РЛС распознавания целей. Митрофанов Д.Г., Ермоленко В.П. Заявка №96106040 от 29.03.96. Опубл. 10.11.1997 (прототип).

3. Цифровые аналоговые интегральные микросхемы. Справочник / Под ред. С.В.Якубовского. М.: Радио и связь, 1989. 496 с.

4. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение. Массовая радиобиблиотека. Выпуск 1111. 1989. 352 с.

5. Безуглов Д.А. Цифровые устройства и микропроцессоры. Ростов на Дону: Феникс, 2008. 468 с.

6. Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. М.: Радио и связь, 1986.

7. Небабин В.Г., Сергеев В.В. Методы и техника радиолокационного распознавания. М.: Радио и связь, 1984. 152 с.