СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ГРУППОВОЙ ЦЕЛИ Российский патент 2007 года по МПК G01S13/04 G01S13/56 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в бортовых, наземных и корабельных радиолокационных станциях (РЛС) для установления факта наличия групповой цели в импульсном объеме.

Известен способ обнаружения групповой цели [Патент РФ №2157550 от 10.10.2000 г., МПК G 01 S 5/04, 3/72]. Решение задачи основывается на том, что различные процедуры пеленгования групповой цели, протяженной по угловым координатам, дают несовпадающие пеленги. Для этого пеленгацию осуществляют одновременно на основе двух или более известных процедур (одноканальной, моноимпульсной, по направлению приема излучений бортовых радиоэлектронных средств) и принимают решение о наличии групповой цели, если разброс полученных значений пеленга превышает порог.

Недостаток способа состоит в том, что существенно снижается вероятность обнаружения групповой цели с увеличением дальности до нее.

Действительно, физической основой работоспособности способа является угловой шум цели. Угловая ошибка пеленгации РЛС, вызванная угловым шумом, определяется выражением σ=σ_уш/r (σ_уш - среднеквадратическое значение углового шума, выраженного в линейных единицах; r - дальность до групповой цели) [Справочник по радиолокации./Под ред. М.Сколника. Т.1. М.: Сов. радио, 1979, с.409]. Так как угловые ошибки, вызванные угловым шумом, обратно пропорциональны дальности, то влияние этого шума сказывается главным образом на средних и малых дальностях [Справочник по радиолокации./Под ред. М.Сколника. Т.1. М.: Сов. радио, 1979, с.409]. Так, если пеленгатор обеспечивает точность, равную 0,1×Θ (Θ - ширина диаграммы направленности антенны РЛС), то при ширине диаграммы в 1° ошибка пеленгации составит 1,7×10^-3 рад. Максимальное среднеквадратическое значение углового шума групповой цели равно 0,5×L (L - наибольший размер групповой цели) [Справочник по радиолокации./Под ред. М.Сколника. Т.1. М.: Сов. радио, 1979, с.411]. Тогда для групповой цели с размером L, равным 100 м, угловая ошибка будет составлять 2,5×10^-3 рад и 5×10^-4 рад на дальностях 20 и 100 км соответственно. Как видно из приведенных расчетов, на больших дальностях ошибка, вызванная угловым шумом, существенно меньше ошибки самого пеленгатора, что приводит к снижению вероятности обнаружения групповой цели данным способом.

Известен способ обнаружения групповой цели [Патент РФ №2143706 от 27.12.99 г., МПК G 01 S 3/22]. Сущность способа заключается в том, что осуществляют оценку приращения сигнала пеленгационной ошибки, например, в угломестной плоскости ΔU_ε, и сравнивают ее с установленным порогом, соответствующим аппаратурной ошибке РЛС. Для повышения вероятности правильного обнаружения групповой цели сигнал пеленгационной ошибки U_ε фиксируют в начале (U_εн) и в конце пачки (U_εк) суммарного сигнала, а также учитывают угол γ между плоскостью сканирования луча антенны РЛС и плоскостью пеленгации. При этом формируют выходной сигнал ΔU_ε=|U_εн-U_εк|, служащий для обнаружения групповой цели. При наличии одиночной цели значения U_ε в начале U_εн и в конце пачки U_εк остаются неизменными U_ε=U_εн=U_εк, а при наличии групповой цели изменяются в соответствии со смещением энергетического центра, т.е. зависят от ее угловых размеров.

Недостатком способа, как и ранее рассмотренного, является зависимость вероятности правильного обнаружения групповой цели от дальности до нее.

Наиболее близким техническим решением является способ обнаружения групповой цели [Патент США №4536764 от 20.08.85 г., МПК G 01 S 7/28, 13/52]. 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, 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 С₁, ослабляют путем бланкирования амплитуды сигналов первой доплеровской частоты f₁ и группы доплеровских частот, расположенных вблизи, определяют вторую доплеровскую частоту f₂, как частоту фильтра jmах2 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 С₁ меньше или равен единице, или путем перемножения амплитуды сигнала второй доплеровской частоты f₂ с первым множителем, если первый счет С₁ 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 С₂, вычисляют промежуточный счет в соответствии с математическим выражением

C=C₁-|C₂-C₁|+1,

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

Недостатком способа-прототипа является невысокая вероятность обнаружения групповой цели, доплеровские частоты сигналов которой находятся в пределах одного кластера, т.е. разрешающая способность способа-прототипа определяется шириной кластера, которая принципиально не может быть меньше ширины одного-трех доплеровских фильтров.

Изобретение решает задачу: повысить вероятность обнаружения групповой цели, доплеровские частоты сигналов которой находятся в пределах одного доплеровского фильтра, и отсутствует разрешение по дальности и угловым координатам.

Решение задачи заключается в том, что после осуществления фильтровой обработки по алгоритму N-точечного БПФ, для всех N доплеровских фильтров сигнал в j-м фильтре домножают на величину , где i - мнимая единица, N - количество фильтров БПФ, j - номер доплеровского фильтра , вычисляют модули комплексных огибающих сигналов на выходах доплеровских фильтров, выбирают множество смежных доплеровских фильтров, определяют доплеровскую частоту f₁ из названного множества смежных доплеровских фильтров, как частоту фильтра j_max1 с максимальной амплитудой сигнала, выбирают подмножество множества смежных доплеровских фильтров R₁ с центром около выбранной доплеровской частоты f₁, для всех фильтров подмножества R₁ вычисляют коэффициент b_j, равный отношению амплитуды сигнала j-го фильтра к найденной максимальной амплитуде сигнала в фильтре jmах1 :

вычисляют величины , , равные разностям модулей соответствующих квадратурных составляющих сигнала j-го фильтра и произведений найденных коэффициентов b_j на модули соответствующих квадратурных составляющих сигнала фильтра с максимальной амплитудой:

рассчитывают показатель как

сравнивают полученный показатель с порогом обнаружения η, который устанавливают исходя из требуемого значения вероятности ложного обнаружения групповой цели, при превышении порога хотя бы в одном фильтре принимают решение об обнаружении групповой цели.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 изображена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ обнаружения 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. На фиг.2 представлена схема, поясняющая последовательность преобразования сигнала в процессоре обработки сигналов 8. На фиг.3-5 приведены диаграммы, показывающие изменения показателей эффективности обнаружения групповой цели при использовании предлагаемого способа по сравнению со способом-прототипом, где Р₁₁ - вероятность правильного обнаружения одиночной цели, Р₁₂ - вероятность ложного обнаружения групповой цели, Р₂₁ - вероятность пропуска групповой цели, Р₂₂ - вероятность правильного обнаружения групповой цели, Δ_f - рассогласование сигналов целей по частоте, ΔF - ширина доплеровского фильтра. На фиг.3 представлены зависимости показателей эффективности от отношения сигнал/шум при относительном рассогласовании сигналов целей по частоте , на фиг.4 - при относительном рассогласовании сигналов целей по частоте и на фиг.5 - при относительном рассогласовании сигналов целей по частоте .

Суть изобретения состоит в том, что в случае, когда цель одиночная, коэффициенты b_j, вычисленные согласно (1), равны отношениям модулей частотных характеристик j-x фильтров к модулю характеристики фильтра jmax1 на доплеровской частоте цели:

где - комплексная амплитуда сигнала цели;

- значение комплексной частотной характеристики доплеровского фильтра с номером j на частоте f;

- значение комплексной частотной характеристики доплеровского фильтра с номером jmах1 на частоте f;

f - доплеровская частота сигнала цели.

Известно, что характеристики доплеровских фильтров, полученных при помощи БПФ, являются комплексными. Фазовое смещение для j-го фильтра равно . Для устранения этого смещения и получения вещественных характеристик доплеровских фильтров, выходные сигналы после алгоритма БПФ необходимо домножать на величины . В результате частотные характеристики фильтров БПФ становятся вещественными: и . C учетом выполненного умножения квадратурные составляющие сигналов на выходах доплеровских фильтров j и jmах1 описываются следующими выражениями:

Подстановка (5)-(9) в (2) и (3) позволяет получить

Как следует из (4), (10), (11), значение в случае одиночной цели равно нулю. Важно, что в случае групповой (например, парной) цели значение коэффициента b_j зависит не только от доплеровских частот сигналов f₁, f₂, но и от их комплексных амплитуд , :

Соответственно значения величин и в общем случае отличны от нуля:

Таким образом, величина является показателем для принятия решения об обнаружении групповой цели. При наличии внутреннего шума приемника для принятия решения необходимо величину сравнивать с порогом η, который устанавливают исходя из требуемого значения вероятности ложного обнаружения групповой цели, например, в соответствии с выражением

где μ - постоянный коэффициент;

μ₀ - уровень порога обнаружения одиночной цели.

Осуществить предлагаемый способ обработки возможно в импульсно-доплеровской РЛС. Один из возможных 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 интервала, равного длительности зондирующего импульса.

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 отсчеты подвергают амплитудному взвешиванию, осуществляют фильтровую обработку по алгоритму БПФ и для всех N доплеровских фильтров сигнал в j-м фильтре домножают на величину .

Затем вычисляют модули комплексных огибающих сигналов на выходах доплеровских фильтров. Далее выбирают множество смежных доплеровских фильтров. Из выбранного множества смежных доплеровских фильтров определяют доплеровскую частоту f₁, как частоту фильтра jmах1 с максимальной амплитудой сигнала и выбирают подмножество множества смежных доплеровских фильтров R₁ с центром около выбранной доплеровской частоты f₁.

Для всех фильтров подмножества R₁ вычисляют коэффициент b_j согласно соотношению (1). Далее в процессоре обработки сигналов 8 в соответствии с выражениями (2) и (3) вычисляют величины , и рассчитывают показатель согласно (4). Затем показатель сравнивают с порогом η, который вычисляют в процессоре обработки сигналов 8 по формуле (15). При превышении порога хотя бы в одном фильтре принимают решение об обнаружении групповой цели.

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

В качестве показателя эффективности предлагаемого способа вводится матрица Р вероятностей исходов обработки сигналов. Элементом Р_nm матрицы Р является вероятность того, что при наличии одиночной (n=1) или групповой (n=2) цели будет принято решение о наличии одиночной (m=1) или групповой (m=2) цели. Вероятности Р₁₁ и Р₂₂ являются вероятностями принятия правильных решений, а Р₁₂ и Р₂₁ - ошибочных решений.

На фиг.3-5 приведены оценки значений элементов матрицы Р при использовании предлагаемого способа обработки и способа-прототипа для одно- и двухцелевых ситуаций, различных отношений сигнал/шум и относительных рассогласований сигналов целей по частоте .

Анализ графических зависимостей, приведенных на фиг.3-5, позволяет сделать вывод о повышении вероятности правильного обнаружения групповой цели P₂₂ при использовании предлагаемого способа по сравнению со способом-прототипом в 2-10 раз в зависимости от отношения сигнал/шум. Выигрыш тем значительнее, чем выше отношение сигнал/шум. Например, в наиболее сложных условиях обнаружения групповой цели, когда относительное рассогласование сигналов целей по частоте (фиг.5), вероятность правильного обнаружения P₂₂ для предлагаемого способа в зависимости от отношения сигнал/шум составляет 0,2-0,9, а для способа-прототипа - не превышает 0,1.

Использование изобретения в бортовых, наземных и корабельных РЛС не потребует изменения их принципов построения, режимов работы, существенных вычислительных затрат и позволит с высокой достоверностью обнаруживать групповую цель, сигналы которой находятся в пределах одного доплеровского фильтра при отсутствии разрешения отдельных целей в группе по угловым координатам и дальности.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано в бортовых, наземных и корабельных РЛС для установления факта наличия групповой цели в импульсном объеме. Техническим результатом является повышение вероятности обнаружения групповой цели, доплеровские частоты сигналов которой находятся в пределах одного - трех доплеровских фильтров (ДФ). Способ обнаружения групповой цели 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), отличающийся тем, что для всех N доплеровских фильтров сигнал в j-м фильтре домножают на величину , где i - мнимая единица, N - количество фильтров БПФ, j - номер доплеровского фильтра , вычисляют модули комплексных огибающих сигналов на выходах доплеровских фильтров, в стробе дальности выбирают множество смежных доплеровских фильтров, определяют доплеровскую частоту f1 из названного множества смежных доплеровских фильтров, как частоту фильтра jmax1 с максимальной амплитудой сигнала, выбирают подмножество множества смежных доплеровских фильтров R1 с центром около выбранной доплеровской частоты f1, для всех фильтров подмножества R1 вычисляют коэффициент bj, равный отношению амплитуды сигнала j-го фильтра к найденной максимальной амплитуде сигнала в фильтре jmax1 :

вычисляют величины , , равные разностям модулей соответствующих квадратурных составляющих сигнала j-го фильтра и произведений найденных коэффициентов bj на модули соответствующих квадратурных составляющих сигнала фильтра с максимальной амплитудой:

рассчитывают показатель как

сравнивают полученный показатель с порогом обнаружения η, который устанавливают исходя из требуемого значения вероятности ложного обнаружения групповой цели, при превышении порога хотя бы в одном фильтре принимают решение об обнаружении групповой цели. 5 ил.

Способ обнаружения групповой цели, заключающийся 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), отличающийся тем, что для всех N доплеровских фильтров сигнал в j-ом фильтре домножают на величину , где i - мнимая единица, N - количество фильтров БПФ, j - номер доплеровского фильтра , вычисляют модули комплексных огибающих сигналов на выходах доплеровских фильтров, выбирают множество смежных доплеровских фильтров, определяют доплеровскую частоту f₁ из названного множества смежных доплеровских фильтров, как частоту фильтра jmax1 с максимальной амплитудой сигнала, выбирают подмножество множества смежных доплеровских фильтров R₁ с центром около выбранной доплеровской частоты f₁, для всех фильтров подмножества R₁ вычисляют коэффициент b_j, равный отношению амплитуды сигнала j-го фильтра к найденной максимальной амплитуде сигнала в фильтре jmax1 :

вычисляют величины , , равные разностям модулей соответствующих квадратурных составляющих сигнала j-го фильтра и произведений найденных коэффициентов b_j на модули соответствующих квадратурных составляющих сигнала фильтра с максимальной амплитудой:

рассчитывают показатель как

сравнивают полученный показатель с порогом обнаружения η, который устанавливают, исходя из требуемого значения вероятности ложного обнаружения групповой цели, при превышении порога хотя бы в одном фильтре принимают решение об обнаружении групповой цели.