Радиолокационное устройство идентификации воздушных объектов

Полезная модель относится к радиолокационной технике и может быть использована в импульсных радиолокационных станциях с высоким разрешением по угловым координатам и дальности.

Задачей полезной модели является повышение качества проводимой классификации и идентификации ВО за счет привлечения дополнительного признака, характеризующего геометрические размеры ВО.

Для решения указанной задачи в состав устройства предлагается дополнительно ввести блок формирования портретов, блок определения курсового угла и блок выбора параметров зондирования с соответствующим изменением межблочных связей.

Предложенное устройство имеет более высокие показатели классификации и идентификации ВО, так как использует в качестве дополнительных признаков структуру дальностного или доплеровского портретов ВО. Эти интегральные признаки отождествления не являются критичными к условиям видимости, величине дальности ВО и другим факторам. При их формировании используется когерентное накопление отражений, что обеспечивает их применение при более низком отношении сигнал-шум.

Предложенное радиолокационное устройство рекомендуется использовать в радиолокационных станциях с цифровой обработкой информации, функционирующих в интересах обороны объектов, а также в интересах современных диспетчерских служб аэропортов.

Полезная модель относится к радиолокационной технике и может быть использована в импульсных радиолокационных станциях с высоким разрешением по угловым координатам и дальности.

Известно радиолокационное устройство классификации воздушных объектов (ВО), включающее последовательно соединенные блок предварительной обработки (БПО), блок обнаружения (БО), блок сегментации (БС), блок выбора признаков и алгоритмов классификации (БВПАК) и блок определения приоритетов наведения (БОПН) [1]. Недостатком данного устройства является низкое качество проводимой классификации ВО в связи со слабыми информационными характеристиками используемых признаков классификации.

Известно также радиолокационное устройство идентификации воздушных объектов [2], в состав которого входят последовательно соединенные БПО, БО, БС, БВПАК, БОПН, причем второй выход БО соединен со входом блока оценки радиуса кривизны траектории на участке маневра и косвенной оценки массы ВО (далее - блок оценки радиуса кривизны траектории), выход которого связан со входом блока классификации ВО по кривизне траектории и массе ВО (далее - блок классификации по кривизне траектории), выход которого подключен ко второму входу БВПАК, третий вход которого соединен с выходом блока идентификации ВО по габаритным размерам (далее - блок идентификации по размеру), вход которого связан с выходом блока определения габаритных размеров ВО (далее - блок определения габаритных размеров), вход которого подключен к третьему выходу БО. Входом устройства является вход БПО.

Данное устройство способно проводить классификацию, а в случае достаточной оптической видимости - и идентификацию ВО по совокупности признаков. Однако признаки классификации в виде радиуса кривизны траектории ВО и массы ВО могут быть получены устройством только в условиях совершения ВО маневра, который, кстати говоря, может зависеть от принятого пилотом решения: резко или медленно выполнять разворот летательного аппарата. А оценка габаритных размеров ВО возможна только в условиях пригодной для этого оптической (инфракрасной) видимости, что при тумане, дожде, изморози, осадках и полетах стай птиц выполнимо не всегда. Поэтому вероятность правильной классификации (определение классов) и идентификации (определение типов) ВО описанным устройством [2] нуждается в повышении.

Задачей полезной модели является повышение качества проводимой классификации и идентификации ВО за счет привлечения дополнительного признака, характеризующего геометрические размеры ВО.

Для решения указанной задачи в состав устройства предлагается дополнительно ввести (включить) блок формирования портретов (БФП), блок определения курсового угла q и блок выбора параметров зондирования, причем его выход предлагается соединить со вторым входом БПО, а вход - с выходом блока определения курсового угла (БОКУ) и первым входом БФП, второй вход которого предлагается связать с первым выходом БО, второй выход которого -подключить к входу БОКУ, а выход БФП - соединить с вторым входом блока идентификации по размеру (БИР).

При таком перестроении структурной схемы радиолокационного устройства идентификации ВО оно получает возможность использовать при идентификации признаки дальностного портрета (ДлП) или доплеровского портрета (ДпП), формируемых из принятых отраженных ВО сигналов и содержащих информацию о геометрических размерах,ВО. Этим устраняется недостаток прототипа [2], связанный с необходимостью функционировать только в условиях хорошей оптической (инфракрасной) видимости. А получение портретов ВО из отраженных радиолокационных сигналов индифферентно к условиям погоды и видимости.

На чертеже представлена функциональная схема радиолокационного устройства идентификации ВО. Радиолокационное устройство идентификации ВО содержит БПО 1, БО 2, БС 3, БВПАК 4, БОПН 5, блок оценки радиуса кривизны траектории (БОРКТ) 6, блок классификации по кривизне траектории (БККТ) 7, блок определения габаритных размеров (БОГР) 8, БИР 9, БОКУ 10, блок выбора параметров зондирования (БВПЗ) 11 и БФП 12. Кроме связей, использованных в прототипе [2], в схеме использованы новые связи, к которым относятся следующие. Вход БОКУ 10 соединен с вторым выходом БО 2, а выход - со входом БВПЗ 11 и первым входом ВФП 12, выход которого связан со вторым входом БИР 9, а второй вход - с первым выходом БО 2. При этом выход БВПЗ 11 соединен со вторым входом БПО 1, первый вход которого является основным входом всего устройства.

Радиолокационное устройство идентификации ВО работает следующим образом. Сигналы, излученные в пространство, отраженные впоследствии от ВО и местных предметов и принятые антенной системой радиолокационной станции (на чертеже не показаны) поступают на первый основной вход БПО 1. Этот блок осуществляет предварительную частотную селекцию отраженных сигналов, их частотное преобразование на промежуточную частоту, основное усиление по мощности на промежуточной частоте [3, 4, 5]. Затем на последнем этапе предварительной обработки отраженные сигналы преобразуются из аналоговой в цифровую форму [6] и в цифровом виде с выхода БПО 1 поступают на вход БО 2. Блок обнаружения 2 предназначен для выделения из всей совокупности отражений только тех сигналов, которые принадлежат воздушным объектам и представляют интерес для дальнейшего анализа. К таким ВО относятся пилотируемые и беспилотные аэродинамические летательные аппараты различных классов и типов, ракеты, аэростаты, метеозонды и т.д. В БО 2 с помощью специальных алгоритмов [4, 6] производится критериальное обнаружение реальных ВО на фоне отражений от местных предметов и помех, а затем осуществляется измерение параметров движения ВО, таких как дальность, азимут, угол места, высота, скорость и их производных.

Оцифрованные сигналы ВО с первого выхода БО 2 поступают на вход БС 3, предназначенного для выделения из структуры отраженных сигналов временных, частотных и угловых сегментов, т.е. параметров сигналов, которые могут выступать в качестве признаков классификации и идентификации [7-9]. Это наиболее простые скалярные признаки, заключенные в амплитуде, частоте, длительности отраженных ВО сигналов. Эти сегменты с выхода БС 3 поступают на первый вход БВПАК 4, который оценивает их пригодность для классификации, выбирает соответствующую совокупность признаков и наиболее эффективный в конкретной обстановке алгоритм (способ) классификации или идентификации.

С второго выхода БО 2 сигналы с информацией о параметрах и координатах движения ВО поступают на вход БОРКТ 6. В блоке 6 проводится расчет радиуса разворота ВО в пространстве при совершении маневра. При выполнении предельного по сложности и перегрузке маневра параметры кривизны траектории ВО функционально связаны с летно-динамическими характеристиками и массой ВО. Рассчитанные значения радиуса разворота R_p и массы М_во объекта с выхода БОРКТ 6 поступают на вход БККТ 7, в котором они сравниваются с эталонными значениями, априорно известными для ВО различных классов и хранящимися в цифровой базе данных блока 7. По результатам сравнения определяется наиболее вероятный класс ВО, а затем код соответствующего класса совместно с параметрами условий, характеризующих надежность классификации по R_p и М_во, передаются на второй вход БВПАК 4.

На вход БОГР 8 сигналы поступают с 3-го выхода БО 2. Подразумевается, что они являются сигналами оптического (инфракрасного) канала локации, ось которого совпадает с линией визирования объекта радиолокационным каналом. По мере приближения ВО к радиолокационной станции (или при начальной дальности до ВО в пределах зоны оптической видимости) в кадре оптического канала может быть обнаружен силуэт или контур ВО, что с учетом известной дальности позволяет по его размерам определять габариты ВО. Это осуществляется в БОГР 8, с выхода которого сигналы с информацией о габаритах поступают на первый вход БИР 9. Блок 9 по результатам сравнения силуэта ВО и его габаритов с эталонными определяет тип ВО, т.е. идентифицирует его. Результаты идентификации поступают с выхода блока 9 на 3-й вход БВПАК 4.

Со второго выхода БО 2 цифровые сигналы с информацией о координатах и законе их изменения поступают также на вход БОКУ 10, который рассчитывает величину курсового угла q полета ВО и формирует соответствующий код в зависимости от выполнения условия q45°. Если курсовой угол q больше или равен 45°, то более благоприятным является использование при идентификации дальностного портрета ВО. В противном случае целесообразнее использовать в процессе идентификации ДпП ВО. Цифровой код выполнения условия q45° поступает с выхода БОКУ 10 на вход БВПЗ 11. Этот блок определяет (выбирает) зондирующие сигналы, способствующие формированию того или иного портрета ВО. Если q<45°, то разумнее использовать сигналы с линейной частотной модуляцией и большой девиацией частоты (порядка 150 МГц). Эти сигналы после приема и обработки в следующем периоде зондирования поступают с первого выхода БО 2 на второй вход БФП 12, где с помощью операции обратного быстрого преобразования Фурье формируется ДлП ВО, несущий информацию о продольном размере ВО [5, 10]. Если же q45°, то БВПЗ 11 формирует команду на применение квазинепрерывных импульсных сигналов малой скважности, которые после приема и усиления с первого выхода БО 2 также поступают на 2-й вход БФП 12 для формирования ДпП. Код выполнения условия q45° с выхода БОКУ 10 поступает также на 1-й вход БФП 12, в соответствии с чем в БФП 12 формируется тот или иной портрет ВО. Доплеровский портрет ВО формируется в блоке 12 методом быстрого преобразования Фурье с пачкой сигналов, накопленных на интервале 0,2-0,4 с [11-15]. Параметры сформированного портрета ВО и его вид передаются с выхода БФП 12 на 2-й вход БИР 9. По протяженности дальностного или доплеровского портрета БИР 9 с учетом величины q определяет геометрический размер ВО.

По величине геометрического размера ВО и внутренней структуре портрета в блоке 9 вырабатывается предварительное решение о типе ВО, т.е. проводится предварительная идентификация ВО. При идентификации учитывается информация оптического канала о размере ВО. Информация о типе ВО поступает с выхода БИР 9 на 3-й вход БВПАК 4. В блоке 4 объединяется информация о классе ВО из блока 7, о типе ВО из блока 9 и о параметрах сигналов (признаках классификации) ВО с выхода БС 3. Вместе с частными решениями о классе и типе ВО в блок 4 поступает информация о надежности этих решений. В БВПАК 4 в зависимости от условий обстановки и наличия частных решений по классификации или идентификации ВО вырабатывается окончательное решение о классе и типе ВО с учетом обеспечения максимума надежности этого решения.

С выхода БВПАК 4 сведения о классе и типе ВО поступают на вход БОПН 5, который с учетом степени важности ВО и его опасности проводит выбор ВО для первоочередного уничтожения или обслуживания. Свое решение о выборе ВО БОПН 5 передает другим системам, осуществляющим воздействие на ВО (на чертеже не показаны).

На второй вход БПО 1 поступают сигналы с выхода БВПЗ 11. В них заложена информация о параметрах очередного зондирования объектов. Это необходимо для организации в БПО квазиоптимального приема отраженных сигналов, проведения согласованной фильтрации и последующего усиления. В частности, в БПО 1 передаются сведения о длительности, частоте и скважности рекомендуемых зондирующих сигналов.

Как следует из описания работы устройства, оно имеет более высокие показатели классификации и идентификации ВО, так как использует в качестве дополнительных признаков структуру дальностного или доплеровского портретов ВО. Эти интегральные признаки отождествления [7, 8] не являются критичными к условиям видимости, величине дальности ВО и другим факторам. При их формировании используется когерентное накопление отражений, что обеспечивает применение признаков портретов при более низком отношении сигнал-шум.

Новые элементы схемы представляют собой специализированные цифровые процессоры для обработки радиолокационной информации [16], работающие с цифровыми данными, что определяет реализуемость предложенного технического решения. Устройство целесообразно использовать в радиолокационных станциях с цифровой обработкой информации, функционирующих в интересах противовоздушной обороны объектов, в интересах диспетчерских служб аэропортов, а также в интересах систем двойного назначения.

Источники информации

1. Небабин В.Г., Гришин В.К. Методы и техника радиолокационного распознавания. Современное состояние. Тенденции развития. Перспективы // Зарубежная радиоэлектроника, 1992. 10. С.11. Рис.2 (аналог).

2. Патент на полезную модель 81580 от 20.03.2009. МПК G01S 13/02. Система автоматического распознавания классов и типов воздушных целей. Золотухин В.К., Мкхейбар М. (прототип).

3. Теоретические основы радиолокации / Под ред. Я.Д.Ширмана. - М.: Сов. радио, 1970. - 560 с.

4. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. Учебник для вузов. - М.: Сов. радио, 1973.-496 с.

5. Радиоэлектронные системы. Основы построения и теория. Справочник / Под ред. Я.Д.Ширмана. М., Радиотехника, 2007. 512 с.

6. Кузьмин С.3. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. М., Радио и связь, 1986. 352 с.

7. Селекция и распознавание на основе локационной информации/ Под ред. А.Л.Горелика. - М.: Радио и связь, 1990. - 240 с.

8. Радиолокационные характеристики летательных аппаратов / Под ред. Л.Т.Тучкова. - М.: Радио и связь, 1985. - 236 с.

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

10. Shirman Y.D. Computer simulation of aerial target radar scattering recognition, detection, and tracking. Norwood. Boston-London. Artech House, 2002. - 296 p.

11. Патент РФ 2234110. Способ построения двумерного радиолокационного изображения воздушной цели. Митрофанов Д.Г., Бортовик В.В. и др. БИПМ 22 от 10.08.2004.

12. Митрофанов Д.Г., Прохоркин А.Г., Нефедов С.И. Измерение поперечных размеров летательных аппаратов по частотной протяженности доплеровского портрета // Радиотехника. 2008 1. С.84-90.

13. Митрофанов Д.Г. Формирование двумерного радиолокационного изображения цели с траекторными нестабильностями полета // Радиотехника и электроника. РАН, 2002. 7. С.852-859..

14. Митрофанов Д. Г. Комплексный адаптивный метод построения радиолокационных изображений в системах управления двойного назначения // Теория и системы управления. Известия РАН. 2006. 1-2. С.101-118.

15. Митрофанов Д.Г. Метод построения радиолокационных изображений аэродинамических летательных аппаратов // Полет.2006. 11. С 52-60.

16. Информационные технологии в радиотехнических системах / Под ред. И.Б.Федорова. М., МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2004.

Радиолокационное устройство идентификации воздушных объектов, включающее в свой состав последовательно соединенные блок предварительной обработки, блок обнаружения, блок сегментации, блок выбора признаков и алгоритмов классификации, блок определения приоритетов наведения, а также последовательно соединенные блок определения габаритных размеров и блок идентификации по размеру, а также последовательно соединенные блок оценки радиуса кривизны траектории и блок классификации по кривизне траектории, причем вход блока определения габаритных размеров связан с третьим выходом блока обнаружения, соединенного своим вторым выходом со входом блока оценки радиуса кривизны траектории, выход блока идентификации по размеру подключен к третьему входу блока выбора признаков и алгоритмов классификации, второй вход которого связан с выходом блока классификации по кривизне траектории, а основным входом устройства является первый вход блока предварительной обработки, отличающееся тем, что дополнительно введены блок определения курсового угла, блок выбора параметров зондирования и блок формирования портретов, выход которого подключают ко второму входу блока идентификации по размеру, второй вход - к первому выходу блока обнаружения, а первый вход - к выходу блока определения курсового угла и входу блока выбора параметров зондирования, выход которого соединяют со вторым входом блока предварительной обработки, причем вход блока определения курсового угла соединяют со вторым выходом блока обнаружения.