МНОГОЧАСТОТНАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ С ИНВЕРСНЫМ СИНТЕЗИРОВАНИЕМ АПЕРТУРЫ И ДВУХУРОВНЕВЫМ РАСПОЗНАВАНИЕМ ЦЕЛЕЙ Российский патент 2009 года по МПК G01S13/90 

Изобретение относится к разряду радиолокационных устройств и предназначено для определения классов и типов воздушных целей по дальностным портретам на основе нейросетевого метода.

Известна радиолокационная станция (РЛС) с инверсным радиолокационным синтезированием апертуры (ИРСА), используемая в Тихоокеанском ракетном испытательном центре США, алгоритм обработки сигналов в которой разработан специально для получения двумерных радиолокационных изображений (РЛИ) целей [1]. В состав указанной РЛС входят задающий генератор (на диоде Ганна), делитель мощности (четырехплечий), генератор пилообразного напряжения, линия задержки, передающая антенна, первый и второй смесители, усилитель высокой (зондирующей) частоты, приемная антенна, фильтр высоких частот, частотный дискриминатор, усилитель промежуточной частоты, фильтр подавления неоднозначности, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифровой магнитофон, анализатор быстрого преобразования Фурье (реального масштаба времени), вычислитель, пульт управления магнитофоном, графопостроитель, декодирующее устройство углового положения, установка для вращения цели. При этом задающий генератор соединен своим входом с выходом генератора пилообразного напряжения, а выходом - со входом делителя мощности, первый выход которого подключен к передающей антенне, второй - к первому входу первого смесителя, третий - ко входу линии задержки, четвертый - ко второму входу второго смесителя, первый вход которого соединен с выходом линии задержки, а выход - со входом частотного дискриминатора, выход которого соединен со входом генератора пилообразного напряжения. Выход приемной антенны подключен ко входу усилителя высокой частоты, выход которого соединен со вторым входом первого смесителя, выход которого подключен ко входу фильтра высоких частот, выход которого соединен со входом усилителя промежуточной частоты, выход которого соединен одновременно со входом фильтра подавления неоднозначности и входом анализатора быстрого преобразования Фурье (БПФ), выход которого подключен ко входу вычислителя, выход которого соединен со входом графопостроителя. Кроме того, выход фильтра подавления неоднозначности соединен со входом АЦП, выход которого соединен со входом цифрового магнитофона, а установка для вращения цели механически связана с декодирующим устройством углового положения, электрический сигнал с выхода которого подается на первый вход пульта управления магнитофоном, на второй и третий входы которого подаются соответственно сигналы установки длительности записи и установки интервалов углов.

Недостатком указанной РЛС с ИРСА является то, что в ней используются сложные частотно-модулированные (с полосой до 3 ГГц) импульсные сигналы (позволяющие достичь разрешающей способности по дальности до 5 см), что приводит к усложнению электронной аппаратуры обработки радиолокационной информации, росту ее стоимости, габаритов и т.д. Использование формируемых данной РЛС с ИРСА радиолокационных изображений в алгоритмах автоматического радиолокационного распознавания (РЛР) целей на средних и малых дальностях невозможно, так как двумерное РЛИ цели в данной РЛС можно получить на графопостроителе только через 15 с, что недопустимо в условиях динамически меняющейся радиолокационной обстановки. А распознавание целей по дальностным портретам [2, 3], что могло бы сократить время принятия решения, в данной РЛС не предусмотрено.

Известна радиолокационная станция с инверсным синтезированием апертуры и перестройкой частоты, включающая первый потенциометрический датчик (ПД), соединенный своим выходом со входом 1-го АЦП, соединенного своим выходом с третьим входом блока расчета параметров движения цели (БРПДЦ), второй вход которого соединен с выходом второго АЦП, соединенного своим входом с выходом второго ПД, вход которого связан с выходом азимутального привода и вторым входом антенны, первый вход которой связан со входом первого ПД и выходом угломестного привода, вход которого соединен с выходом первого усилителя мощности (УМ), соединенного своим входом с выходом первого фазового детектора (ФД), первый вход которого соединен с выходом блока элементов линейной части приемника разностного угломестного канала (БЭЛЧПРУК), первый вход которого соединен с первым выходом моноимпульсного облучателя (МИО), первый вход-выход которого соединен с вход-выходом антенны, второй выход - с первым входом блока элементов линейной части приемника разностного азимутального канала (БЭЛЧПРАК), а второй вход-выход - с вход-выходом антенного переключателя (АП), соединенного своим выходом со вторым входом блока элементов линейной части приемника суммарного канала (БЭЛЧПСК), первый вход которого соединен со вторым входом БЭЛЧПРУК, вторым входом БЭЛЧПРАК и первым выходом первого ключа, соединенного первым входом с выходом задающего генератора (ЗГ), вторым выходом - с первым входом смесителя, а вторым входом - со вторым выходом схемы управления (СУ), первый выход которой соединен со входом синтезатора частоты на поверхностных акустических волнах (СЧПАВ), четвертый выход - с первым входом системы измерения дальности (СИД), а третий выход - с третьим входом цифрового устройства получения регулируемой задержки (ЦУПРЗ), второй вход которого связан с выходом пульта управления оператора, первый вход - с первым выходом БРПДЦ, а выход - со вторым входом второго ключа и вторым входом третьего ключа, первый вход которого соединен с выходом третьего ФД, а выход - со входом пятого АЦП, соединенного своим выходом с первым входом блока компенсации поступательного движения (БКПД), второй вход которого связан со вторым выходом БРПДЦ, а выход - со вторым входом блока двумерного быстрого преобразования Фурье (БДБПФ), выход которого соединен со входом блока радиолокационного распознавания (БРЛР) и вторым входом блока отображения радиолокационного изображения (БОРЛИ), а первый вход - с выходом четвертого АЦП, вход которого связан с выходом второго ключа, первый вход которого соединен со вторым входом СИД, выход которой соединен со входом третьего АЦП, выход которого связан с первым входом БРПДЦ, первый вход второго ключа соединен также с выходом амплитудного детектора (АД), вход которого связан с первым входом третьего ФД, с выходом БЭЛЧПСК, вторым входом первого ФД и вторым входом второго ФД, первый вход которого соединен с выходом БЭЛЧПРАК, а выход - со входом второго УМ, соединенного своим выходом со входом азимутального привода, выход СЧПАВ связан со вторым входом третьего ФД и вторым входом смесителя, первый вход которого связан со вторым выходом первого ключа, а выход - со входом когерентного передатчика, соединенного своим выходом с входом АП, причем выход БРЛР соединен с первым входом БОРЛИ [4].

Данная РЛС способна формировать двумерные РЛИ воздушных целей и распознавать их по правилу сравнения с эталонами [5, 6] в блоке РЛР. Цель относится к одному из определенных классов в соответствии с заранее установленным алфавитом путем сравнения полученной матрицы на выходе БДБПФ с набором эталонов. Один из возможных вариантов построения данного блока показан в [6].

Однако для проведения такого распознавания необходимо иметь очень большое число эталонов матриц по числу возможных ракурсов локации и типов целей. При числе типов в алфавите более 10 вероятность распознавания воздушных целей существенно снижается, а использование правила обобщенного голосования с использованием гистограмм признаков позволяет разделить цели только по классам, отличающимися, к примеру, размерами или поведением. Если в интересах экономии времени на формирование признака проводить построение дальностного портрета цели (как одномерного РЛИ), то вероятность распознавания цели становится еще ниже. А число распознаваемых типов воздушных целей в современных задачах принятия решения неуклонно растет. В рамках этих требований перспективные системы распознавания ориентируют в настоящее время на нейросетевые методы. Однако традиционное построение нейросетевых идентификаторов при достижении алфавитом целей даже 20 единиц требует значительного увеличения числа слоев или количества нейронов в слоях искусственной нейронной сети (ИНС). Это, в свою очередь, предъявляет невыполнимые в настоящее время требования к нейрочипам и вызывает увеличение времени на обучение ИНС. Математическое моделирование показывает, что вероятность нейросетевой идентификации целей при расширении алфавита также снижается.

Кроме того, РЛС [4] не может правильно обрабатывать сигналы с перестройкой частоты, отраженные от воздушной цели, если дальность до нее превышает однозначно измеряемую дальность, определяемую периодом повторения РЛС. Для формирования дальностных портретов или двумерных РЛИ импульсные сигналы с перестройкой частоты должны быть квазинепрерывными, т.е. иметь период повторения Т_и не более десятков микросекунд. Поскольку однозначно измеряемая дальность не превышает сТ_и/2, где с - скорость света, то при малом периоде Т_и сигналы от целей, удаленных на десятки километров, будут приниматься в других периодах повторения, где несущая частота заполнения импульса иная. В этом случае опорный сигнал смесителя будет поступать в третий ФД на отличающейся от принятого сигнала частоте, что приведет к нарушению логики работы РЛС. Этот недостаток следует устранить. Для этого необходимо предусмотреть задержку опорного сигнала n-й частоты, соответствующую задержке отраженного целью и принятого локатором сигнала.

Задачей изобретения является обеспечение возможности радиолокационного распознавания как классов, так и типов целей в пределах одного из классов при любой дальности до цели за счет использования искусственных нейронных сетей и двухуровневого построения схемы распознавания.

Поставленная цель достигается тем, что в состав известной, описанной выше РЛС [4], включающей два УМ, угломестный и азимутальный приводы, антенну, три ФД, МИО, БЭЛЧПРУК, БЭЛЧПРАК, БЭЛЧПСК, АП, когерентный передатчик, ЗГ, три ключа, четыре АЦП, АД, СИД, ПУО, схему управления, СЧПАВ, смеситель и БКПД, в которой первый вход антенны связан с выходом угломестного привода, соединенного своим входом с выходом первого УМ, связанного своим входом с выходом первого ФД, соединенного первым входом с выходом БЭЛЧПРУК, первый вход которого связан с первым выходом МИО, а второй вход - со вторым входом БЭЛЧПРАК, первым выходом первого ключа и первым входом БЭЛЧПСК, связанного вторым входом с выходом АП, связанного вход-выходом со вторым вход-выходом МИО, а входом - с выходом когерентного передатчика, связанного входом с выходом смесителя, первый вход которого соединен со вторым выходом первого ключа, а второй - с выходом СЧПАВ, вход которого соединен с первым выходом СУ, связанной вторым выходом со вторым входом первого ключа, связанного первым входом с выходом ЗГ, причем первый ФД связан вторым входом со вторым входом второго ФД, первым входом третьего ФД, выходом БЭЛЧПСК и входом АД, связанного выходом со вторым входом СИД и первым входом второго ключа, связанного выходом со входом второго АЦП, второй вход БКПД соединен с выходом третьего АЦП, соединенного входом с выходом третьего ключа, связанного первым входом с выходом третьего ФД, выход СИД связан со входом первого АЦП, выход второго ФД соединен со входом второго УМ, соединенного выходом со входом азимутального привода, связанного выходом со вторым входом антенны, вход-выход которой соединен с первым вход-выходом МИО, второй выход которого связан с первым входом БЭЛЧПРАК, соединенного выходом с первым входом второго ФД, дополнительно включают схему электронной задержки (СЭЗ), систему измерения скорости (СИС), а также устройство двухуровневого распознавания, состоящее из накопительного буфера (НБ), блока обратного БПФ, оперативного запоминающего устройства (ОЗУ), первого нейросетевого классификатора (являющегося классификатором первого уровня), L вторых нейросетевых классификаторов (являющихся классификаторами второго уровня), цифрового коммутатора и табло вывода результатов распознавания (ТВРР). При этом третий выход СУ соединяют с первым входом СИД, выход первого АЦП соединяют с третьим входом БКПД и первым входом СЭЗ, второй вход которой связывают с выходом СЧПАВ, а выход - со вторым входом третьего ФД и со вторым входом СИС, первый вход которой соединяют с выходом БЭЛЧПСК, а выход - со входом четвертого АЦП, выход которого связывают с четвертым входом БКПД, первый вход которого соединяют с выходом второго АЦП, а выход - со входом накопительного буфера, выход которого соединяют со входом блока обратного БПФ, выход которого связывают со входом ОЗУ и входом первого нейросетевого классификатора (НСК), выходы которого с первого по L-й соединяют с соответствующими с первого по L-й входами цифрового коммутатора, (L+1)-й вход которого связывают с выходом ОЗУ, a L выходов связывают со входами соответствующих L вторых нейросетевых классификаторов, каждый из которых имеет Z выходов по числу типов идентифицируемых целей в классе, каждый z-й выход l-го второго нейросетевого классификатора связывают с [(l-1)Z+z]-м входом ТВРР, второй выход ПУО соединяют со вторым входом второго ключа и вторым входом третьего ключа, а первый выход - со входом схемы управления.

Такое построение структурной схемы многочастотной радиолокационной станции придает ей способность правильно обрабатывать сигналы от удаленных воздушных целей в режиме квазинепрерывного излучения с перестройкой частоты, а также проводить нейросетевое распознавание целей до типов внутри соответствующего класса.

Структурная схема предлагаемой многочастотной радиолокационной станции с инверсным синтезированием апертуры и двухуровневым распознаванием целей представлена на фиг.1.

Согласно данной схеме многочастотная радиолокационная станция с инверсным синтезированием апертуры и двухуровневым распознаванием целей содержит первый УМ 1, привод угломестный 2, антенну 3, привод азимутальный 4, второй УМ 5, ЗГ 6, первый ключ 7, первый ФД 8, БЭЛЧПРУК 9, МИО 10, БЭЛЧПРАК 11, второй ФД 12, БЭЛЧПРСК 13, АП 14, когерентный передатчик 15, смеситель 16, СИД 17, АД 18, третий ФД 19, СЭЗ 20, СЧПАВ 21, первый АЦП 22, второй ключ 23, третий ключ 24, СИС 25, второй АЦП 26, третий АЦП 27, ПУО 28, СУ 29, БКПД 30, четвертый АЦП 31, а также устройство двухуровневого распознавания 39, в состав которого входят: накопительный буфер 32, блок обратного БПФ 33, ОЗУ 34, первый НСК 35, цифровой коммутатор 36, L вторых нейросетевых классификаторов 37, ТВРР 38 (фиг.1).

Многочастотная радиолокационная станция с инверсным синтезированием апертуры и двухуровневым распознаванием целей работает следующим образом.

Задающий генератор 6 формирует высокостабильные высокочастотные электромагнитные колебания на несущей частоте f₀ и через 1-й ключ 7 попеременно подает их то на первый вход смесителя 16, то на вторые входы БЭЛЧПРАК 11, БЭЛЧПРУК 9 и первый вход БЭЛЧПРСК 13. Схема управления 29 формирует импульсные сигналы (видеоимпульсы) длительностью τ_и и периодом повторения Т_и. Эти сигналы определяют период повторения зондирующих сигналов радиолокационной станции, а также управляют первым ключом 7, когерентным передатчиком 15 (через СЧПАВ 21 и смеситель 16) и работой СИД 17, поступая с третьего выхода СУ 29 на первый вход СИД 17. Видеоимпульсы длительностью τ_и со второго выхода СУ 29 поступают на управляющий вход первого ключа 7, который на время их действия коммутирует выход ЗГ 6 с первым входом смесителя 16. В остальное время (когда нет управляющего сигнала из схемы управления 29) сигнал ЗГ 6 проходит на вторые входы БЭЛЧПРУК 9, БЭЛЧПРАК 11 и БЭЛЧПСК 13.

Сигналы с выхода блока синтезатора частоты на поверхностных акустических волнах 21 с частотами f_пр+n·Δf (где f_np - промежуточная частота, Δf - величина шага перестройки частоты от импульса к импульсу, n - номер излучаемого импульса) в соответствии с управляющими импульсами с первого выхода схемы управления 29 подаются на второй вход СЭЗ 20. В СЧПАВ 21 постоянно генерируются высокочастотные колебания на каждой из N частот, что исключает необходимость тратить время на исключение влияния переходных процессов и дожидаться установления стабильного режима генерации колебаний на n-й частоте. После перехода к n-й частоте следует только своевременно коммутировать выход n-го генератора с выходом СЧПАВ 21. На вход СЭЗ 20 в зависимости от управляющих импульсов с первого выхода СУ 29 поступает сигнал на n-й частоте. Управляющие импульсы представляют собой двоичный код, определяющий номер соответствующей n-й частоты. Причем период следования управляющих импульсов с первого выхода СУ 29 совпадает с Т_и. Вариант построения СЧПАВ 21 показан в [7, стр.108-109, рис.5.35].

Назначение СЭЗ 20 заключается в осуществлении задержки сигналов СЧПАВ 21 для их дальнейшего прохождения на второй вход третьего ФД 19 в момент присутствия на его первом входе отраженных сигналов, задержанных на величину t_З=2R₀/c, где R₀ - дальность до цели. СЭЗ 20 в своем составе содержит электронный коммутатор 40 и совокупность линий задержки 41 (фиг.2). Первый и второй входы электронного коммутатора 40 являются соответственно первым и вторым входами СЭЗ 20. Назначение электронного коммутатора 40 заключается в коммутации выхода СЧПАВ 21 с соответствующей линией задержки 41 в зависимости от информации о дальности до цели (времени задержки отраженных сигналов t_з), которая в виде цифрового кода поступает с выхода первого АЦП 22. Таким образом, СЭЗ 20 обеспечивает третий ФД 19 опорными колебаниями той же частоты, на которой был излучен принятый через t_з сигнал. Количество М линий задержки 41 определяется радиальной разрешающей способностью δR_|| и предельной дальностью действия R_max радиолокатора: М=R_max/δR_||.

В режиме квазинепрерывного излучения сигналы с выхода СЧПАВ 21 в соответствии с управляющими сигналами с первого выхода СУ 29 подаются на второй вход смесителя 16 и через СЭЗ 20 - на второй вход третьего ФД 19. Полоса пропускания выходного фильтра смесителя 16 выбирается от f₀+f_пр до f₀+f_np+N·Δf (где N - количество используемых частот зондирования). При этом должно выполняться условие f_np>N·Δf. В этом случае на выходе смесителя 16 будет присутствовать только узкополосный сигнал на одной из частот зондирования, а кратные гармоники будут подавляться. Сигнал с выхода смесителя 16 поступает на когерентный передатчик 15, который формирует сверхвысокочастотные импульсные сигналы заданной длительности и через АП 14 и МИО 10 передает их в антенну 3, которая излучает электромагнитные волны в направлении воздушной цели. Вариант построения когерентного передатчика показан в [8, с.61, рис.4.3]. Отразившись от цели, излученные сигналы с измененной структурой возвращаются к антенне 3, улавливаются ею и проходят на МИО 10, устройство которого также широко известно в радиолокации [9, стр.387, рис.13.13]. МИО 10 имеет второй вход-выход суммарного канала, первый выход разностного угломестного канала и второй выход разностного азимутального канала. Уровень сигналов в данных каналах зависит от положения цели относительно равносигнального направления. В разностных каналах сигнал появляется только тогда, когда имеет место отклонение цели от равносигнального направления в соответствующей плоскости. Таким образом, МИО 10 является главным элементом, обеспечивающим слежение антенной системы за целью. Со второго вход-выхода МИО 10 (представляющего суммарный канал) сигнал через АП 14 подается на второй вход БЭЛЧПСК 17. Первый выход угломестного разностного канала МИО 10 подключен к первому входу БЭЛЧПРУК 9, а второй выход разностного азимутального канала МИО - к первому входу БЭЛЧПРАК 11. Как видно из фиг.1, начальная часть структурной схемы РЛС построена по классической схеме амплитудной суммарно-разностной моноимпульсной (без схемы автоматической регулировки усиления) системы сопровождения цели по направлению [10, стр.424; 11, стр.450]. Однако в ней в качестве суммарно-разностного преобразователя используется МИО 10, а элементы приемных трактов (смесители, фильтры, усилители промежуточной частоты) объединены в блоки элементов линейных частей приемников. Поступившие в блоки элементов линейной части приемников сигналы фильтруются (освобождаются от сигналов посторонних частот), их частота понижается в смесителях до промежуточной, после чего они усиливаются до величин, необходимых для работы последующих устройств. С выходов БЭЛЧПРУК 9 и БЭЛЧПРАК 11 усиленные сигналы поступают соответственно на первые входы первого ФД 8 и второго ФД 12.

Информация о величине рассогласования цели относительно линии визирования (равносигнального направления) по угловым координатам заложена в амплитуде сигналов разностных каналов, а о направлении рассогласования - в их фазах. Поэтому для выделения напряжений, пропорциональных угловым рассогласованиям, применяются фазовые детекторы 8 и 12, преобразующие разностные сигналы в видеосигналы. В качестве опорного напряжения фазовых детекторов 8 и 12, подаваемого на их вторые входы, используется выходной сигнал БЭЛЧПСК 13. С выхода ФД 8 и 12 видеосигнал, пропорциональный угловому рассогласованию цели относительно линии визирования соответственно в угломестной и в азимутальной плоскостях, поступает соответственно на вход первого и второго усилителей мощности 1 и 5, где происходит его увеличение до значений, достаточных для работы приводов 2 и 4, в состав которых могут входить электродвигатели, редукторы и т.п. Принцип работы и параметры указанных выше элементов раскрыты в [12]. Наиболее простым для понимания составом приводов являются двигатель и редуктор, механически связывающий двигатель с антенной. Примерами подобного построения моноимпульсной системы сопровождения цели являются [13, стр.17, рис.1.12,а; 14, стр.154, рис.4.23, 4.25; 15, стр.448, рис.10.15]. Выходные сигналы фазовых детекторов 8 и 12, усиленные в соответствующих УМ 1 и 5, поступают на входы угломестного привода 2 и азимутального привода 4, которые механически связаны с антенной 3. Редукторы приводов воздействуют на антенну таким образом, чтобы развернуть ее в направлении воздушной цели.

С выхода БЭЛЧПСК 13 через АД 18 сигнал поступает на СИД 17. Система измерения дальности построена по классической схеме [11, стр.323, рис.7.23] и состоит из регулируемой цепи задержки (РЦЗ), генератора двух следящих полустробов, временного различителя и управляющего устройства. СИД представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования. В начале сопровождения используется импульсный режим работы с большим периодом повторения (Т_и>1 мс) для верного и однозначного измерения дальности R₀. Затем по команде с ПУО 28 РЛС переходит в режим квазинепрерывного излучения с малой скважностью и малым периодом. При этом с третьего выхода СУ 29 на вход СИД 17 будет поступать последовательность импульсов, соответствующая малому периоду. При уменьшении периода измеренная дальность до цели может быть ошибочной при задержке отраженного сигнала более чем на Т_и. Поэтому при переходе в режим квазинепрерывного излучения сигналы с третьего выхода СУ 29 поступать прекращают, и СИД прекращает свою работу на время излучения и приема квазинепрерывной пачки сигналов с перестройкой частоты (с малой скважностью). В этом случае на выходе первого АЦП 22 сигнал о дальности до цели пропадает. А СЭЗ 20 при отсутствии новой информации о дальности остается в состоянии, соответствующем дальности до цели, измеренной в импульсном режиме.

Сигнал с выхода АД 18 поступает на первый вход временного различителя, второй и третий входы которого связаны с соответствующими выходами генератора двух следящих полустробов, вход которого связан с выходом регулируемой цепи задержки, первый вход которой связан с выходом управляющего устройства, вход которого связан с выходом временного различителя. РЦЗ запускается импульсами схемы управления длительностью Т_и, поступающими на первый вход СИД. Первый вход СИД является входом РЦЗ, которая вырабатывает импульсы задержки. Длительность этих импульсов пропорциональна управляющему напряжению дальности, приходящему с выхода управляющего устройства. Задний срез импульса задержки дифференцируется, и сформированный при этом сигнал запускает генератор двух следящих полустробов. Полученные в нем полустробы поступают на временной различитель, состоящий из двух каскадов совпадения и схемы сравнения. Полустробы поочередно открывают каскады совпадения, вследствие чего часть отраженного сигнала с выхода АД 18 проходит через первый, а часть - через второй каскады совпадений. На выходе временного различителя стоит схема сравнения, вырабатывающая напряжение сигнала ошибки, пропорциональное отклонению отраженного сигнала от стыка полустробов. Полярность сигнала ошибки определяется направлением отклонения.

При движении цели положение отраженного ею сигнала на выходе АД 18 будет изменяться, вызывая рассогласование между импульсом от цели и стыком полустробов. Это приводит к изменению сигнала ошибки, который после преобразования и усиления в управляющем устройстве изменяет напряжение на его выходе (это и есть сигнал, пропорциональный дальности до цели), которое заставляет регулируемую цепь задержки сместить полустробы в положение, при котором сигнал ошибки будет равен нулю. Выходом СИД 17 является выход управляющего устройства. С выхода СИД 17 сигнал, пропорциональный дальности до цели, поступает на вход первого АЦП 22, который переводит аналоговый сигнал дальности в цифровой вид и подает его для дальнейшего использования на третий вход БКПД 30 и на первый вход СЭЗ 20.

Сигналы с выхода БЭЛЧПСК 13 поступают на входы АД 18 и третьего ФД 19, а затем на входы ключей 23 и 24, которые пропускают сигнал на входы второго и третьего АЦП 26 и 27 соответственно при наличии на вторых входах ключей импульсного сигнала, соответствующего логической единице с первого выхода ПУО 28. Сигнал логической единицы может формироваться автоматически при переходе на автосопровождение цели или же оператор после перехода РЛС в режим сопровождения может принять решение на радиолокационное распознавание цели и нажать на соответствующую кнопку на ПУО 28. После поступления на вторые входы ключей 23 и 24 разрешающего импульсного сигнала на входы второго АЦП 26 и третьего АЦП 27 поступает информация только от N импульсов (от N периодов повторения), необходимых для формирования дальностного портрета цели. Причем по причине большого диапазона дальностей запись последовательности сигналов может начаться не с сигнала первой частоты, т.е. первый записанный сигнал в момент открытия ключей может иметь любую n-ю частоту из N возможных. В следующий момент времени будет записан сигнал на (n+1)-й частоте и так далее. После запоминания параметров последовательности из N сигналов в БКПД 30 осуществляется проверка ее структуры и преобразование последовательности таким образом, чтобы обеспечивалось линейное изменение частоты заполнения сигналов, начиная с первой частоты и заканчивая N-й. Это возможно потому, что РЛС всегда осуществляет контроль своего режима, т.е. всегда имеет информацию о номере используемой в данное время частоты перестройки. С учетом дальности до цели всегда известен номер частоты в конкретном периоде повторения. Расстановка сигналов в порядке возрастания частоты необходима для правильного и корректного формирования дальностного портрета цели с помощью БПФ.

Пульт управления оператора представляет собой блок, в котором может находиться некоторое количество кнопок, тумблеров и реле, коммутирующих различные режимы работы РЛС. В данном конкретном случае пульт управления оператора кроме всего прочего содержит кнопку, реле времени и источник питания, принципиально необходимые для записи параметров последовательности из N сигналов. С помощью этих элементов включается режим накопления и записи отраженных сигналов. После нажатия кнопки срабатывает и встает на самоблокировку реле времени, обеспечивающее подачу на второй выход ПУО 28 постоянного положительного сигнала управления, коммутирующего первые входы ключей с их выходами на время приема одной пачки сигналов с перестройкой частоты. Таким образом, в БКПД 30 и устройство двухуровневого распознавания 39 поступают оцифрованные параметры только одной реализации сигналов на N частотах. Ключи 23 и 24 исключают проникновение сигналов в БКПД 30 и далее в устройство двухуровневого распознавания 39 при отсутствии команды на распознавание цели.

С выхода второго АЦП 26 сигнал, характеризующий амплитуду отраженного сигнала в цифровом виде, поступает на первый вход БКПД 30, а сигнал, несущий информацию о фазе отраженного сигнала, с выхода третьего АЦП 27 в цифровой форме поступает на второй вход БКПД 30.

С выхода БЭЛЧПСК 13 отраженные сигналы поступают на первый вход системы измерения скорости СИС 25, на второй вход которой поступают опорные сигналы на той же частоте (не принимая во внимание несущую частоту f₀), на которой был излучен сигнал в направлении цели. За правильную подачу сигнала соответствующей частоты отвечает СЭЗ 20. Система измерения скорости 25 включает в себя схему частотного дискриминатора, которая в качестве опорного напряжения использует сигнал с выхода СЭЗ 20. Амплитуда напряжения с выхода дискриминатора, пропорциональная доплеровскому сдвигу частоты, поступает на четвертый АЦП 31 и далее в цифровом виде - на четвертый вход БКПД 30. Блок 30 представляет собой электронно-вычислительную машину, то есть вычислительный комплекс, пример реализации и применения которого приведен в [16, стр.255, рис.7.1, стр.287, рис.7.10, стр.291, рис.7.11; 17, стр.77, рис.3.20, стр.79, рис.3.21, стр.133, рис.4.22].

БКПД 30 рассчитывает изменение фазы Δφ_п, обусловленное поступательным движением цели [18], по формуле Δφ_п=2kV_rT_иn, где k - волновое число, n - номер запоминаемого импульса, V_r - радиальная скорость цели. Данные о V_r поступают на четвертый вход БКПД 30 с выхода четвертого АЦП 31. Кроме того, блок 30 рассчитывает значение фазы, связанное с начальной дальностью до цели Δφ_Rn=4πR₀/λ_n. Физический смысл операции компенсации дальности и поступательного движения приведен в [18]. В блоке 30 рассчитывается результирующее значение фазы

φ_{вз n}, связанное только с взаимным расположением рассеивающих центров на планере цели в радиальном направлении

φ_{вз n}=φ_Σn-Δφ_n-Δφ_Rn,

где φ_{вз n} - значение фазы принятого сигнала в n-й момент времени, связанное только с радиальным взаимным расположением рассеивающих центров на планере цели;

φ_Σn - входное (суммарное) значение фазы сигнала n-го момента времени на втором входе блока 30;

Δφ_n - компенсируемое значение фазы сигнала в n-й момент времени, рассчитываемое по формуле Δφ_n=2kV_rT_иn и связанное с перемещением цели;

Δφ_Rn - компенсируемое значение фазы, связанной с начальной дальностью до цели на n-й частоте.

После вычитания вредных фазовых сдвигов на выходе БКПД 30 формируется комплексный сигнал вида где А_n и Ψ_n - соответственно амплитуда и фаза отраженного сигнала на n-й частоте.

Для классификации и дальнейшей идентификации целей оцифрованные значения амплитуд и фаз отраженных сигналов с выхода БКПД 30 поступают на вход устройства двухуровневого распознавания 39. Вход устройства двухуровневого распознавания одновременно является входом накопительного буфера 32. В качестве накопительного буфера может использоваться ферритовый куб, описанный в [15, стр.657]. Накопительный буфер 32 служит для записи (накопления) значений амплитуд и фаз отраженных сигналов с выхода БКПД 30 и формирования из них комплексной частотной характеристики цели. С выхода накопительного буфера 32 сформированная комплексная частотная характеристика в виде массива чисел поступает на вход блока обратного БПФ 33, в котором с помощью операции БПФ формируется массив (вектор) дальностного портрета цели [3]. Сформированный в результате преобразования вектор поступает на входы ОЗУ 34 и первого НСК 35. В качестве простейшего ОЗУ может использоваться магнитный барабан [15, стр.660]. ОЗУ 34 предназначено для длительного хранения вектора дальностного портрета и последующей передачи его на (L+1)-й вход цифрового коммутатора 36.

Первый НСК 35 представляет собой искусственную нейронную сеть, обученную распознаванию классов воздушных целей. Задача определения класса, т.е. классификация, является задачей первого уровня распознавания. Варианты исполнения ИНС, в том числе и нейропроцессоров, подробно описаны в [19, 20, 21]. В данном случае первый НСК 35 обучен решению задачи распознавания L классов воздушных целей. В зависимости от класса цели с L выходов блока 36 снимается двоичный сигнал, который формируется следующим образом. На этапе обучения на вход ИНС подают К предварительно сформированных векторов дальностных портретов целей по В для каждого распознаваемого класса. Например, при распознавании пяти классов целей К=5В. Число векторов в обучающем массиве для каждой цели выбирается с учетом необходимости обучения ИНС на максимально возможном числе дальностных портретов одной цели при различных ракурсах локации и вычислительных возможностей конкретного нейрочипа. Обучение осуществляется на этапе подготовки и сборки устройства двухуровневого распознавания 39. Вместе с обучающим массивом векторов дальностных портретов на этапе подготовки нейронной сети предъявляются целевые вектора. Число целевых векторов всегда совпадает с числом векторов дальностных портретов. Целевые вектора являются двоичными, т.е. состоят из единиц и нулей. Число элементов каждого из К целевых векторов совпадает с числом выходов первого нейросетевого классификатора и соответствует числу распознаваемых классов. Причем структура целевых векторов для каждого из классов одинакова. Например, при распознавании пяти классов целей и наличии для каждого класса 1000 обучающих векторов общее число векторов обучения и целевых векторов составит по 5000. Для первого класса целевые вектора будут иметь структуру вида «1 0 0 0 0», для второго класса - «0 1 0 0 0» и т.д. При предъявлении сети обучающих и целевых векторов в ИНС начинается формирование матрицы весовых коэффициентов таким образом, чтобы при подаче на ее вход вектора дальностного портрета одного из L классов на ее выходе сформировался двоичный вектор, максимально близкий к целевому вектору именно этого класса. Таким образом, в процессе реального распознавания сигнал логической единицы появляется только на том выходе первого НСК, который соответствует распознанному классу цели. Например, при принадлежности цели к 3-му классу сигнал логической единицы будет получен на 3-м выходе блока 35: «0 0 1 0 0». Такой двоичный код поступает на входы с первого по L-й цифрового коммутатора 36. Причем сигнал с l-го выхода первого НСК поступает только на 1-й вход блока 36. Цифровой коммутатор 36 по информации с выходов первого НСК 35 осуществляет коммутацию выхода ОЗУ со входом соответствующего второго НСК 37. Каждый из вторых НСК 37 обучен распознаванию Z типов воздушных целей в своем конкретном классе. Число блоков 37 соответствует числу распознаваемых классов L. При принятии решения в пользу первого класса, выход ОЗУ 34 коммутируется со входом первого по счету второго НСК 37. При принятии решения в пользу l-го класса, выход ОЗУ 34 коммутируется со входом l-го по счету второго НСК 37. Блоки 37 являются НСК второго уровня, так как проводят идентификацию (определение типа) воздушной цели. Информация о типе воздушной цели с выходов назначенного для идентификации второго НСК поступает на вход табло отображения результатов распознавания 38, в котором двоичный код используется для визуальной демострации результатов РЛР, т.е. на передней панели блока загорается лампа индикации с аббревиатурой распознанного типа воздушной цели.

Проверка качества нейросетевого распознавания моделей целей трех классов (крупноразмерные, среднеразмерные, малоразмерные) по указанному правилу проведена методом математического моделирования. Результаты моделирования отражены в [22]. Они показали, что оценка вероятности правильного распознавания пяти типов целей в классе составляет величину порядка 0,85. При увеличении числа типов целей их можно объединять в новые классы, внутри которых вести идентификацию с высокой эффективностью.

Источники информации

1. Астанин Л.Ю., Просыпкин С.Е., Степанов А.В. Аппаратура и средства для широкополосных измерений радиолокационных характеристик // Зарубежная радиоэлектроника, 1991. №1. С.117 (аналог).

2. Радиоэлектронные системы. Справочник. Основы построения и теория. Под ред. Я.Д.Ширмана. М.: Радиотехника. 2007. 510 с.

3. Митрофанов Д.Г., Сафонов А.В. Применение вейвлет-анализа для сохранения информативности дальностных портретов воздушных целей при повышении уровня шумов // Электромагнитные волны и электронные системы, 2005. №9. Т.10. С.19-24.

4. Патент РФ №2152626. РЛС с инверсным синтезированием апертуры и многочастотным зондирующим сигналом. Митрофанов Д.Г., Силаев Н.В. G01S 13/90. Приоритет 17.05.99 г. Опубл. 10.07.2000 г. БИ №19. 2000 г., Часть 3. С.547 (прототип).

5. Селекция и распознавание на основе локационной информации. А.Л.Горелик, Ю.Л.Барабаш, О.В.Кривошеев, С.С.Эпштейн. Под ред. А.Л.Горелика. - М.: Радио и связь, 1990. 240 с.

6. Вопросы статистической теории распознавания. / Под ред. Б.В.Барского. - М.: Сов. радио, 1967. 399 с.

7. Радиоприемные устройства: Учебное издание. / Под ред. А.П.Жуковского. - М.: Высшая школа, 1989. 342 с.

8. Радиолокационные станции воздушной разведки. / Под ред. Г.С.Кондратенкова. - М.: Воениздат, 1983. 152 с.

9. Теоретические основы радиолокации. Под ред. В.Е.Дулевича. - М.: Сов. радио, 1978. 608 с.

10. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. - М.: Радио и связь. 1983. 536 с.

11. Теоретические основы радиолокации./Под ред. В.Е.Дулевича. - М.: Сов. радио. 1964. 732 с. (рис.7.23, с.323).

12. Иващенко Н.Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. - М.: Машиностроение, 1978. 736 с.

13. Коновалов Г.Ф. Радиоавтоматика. Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника». - М.: Высшая школа, 1990. 335 с.

14. Артемьев В.М., Яшугин Е.А. Основы автоматического управления систем радиоэлектронных средств. - М.: Воениздат, 1984. 456 с.

15. Справочник по основам радиолокационной техники. / Под ред. В.В.Дружинина. - М.: Воениздат, 1967. 768 с.

16. Кузьмин С.3. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. - М.: Радио и связь, 1986.

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

18. Митрофанов Д.Г. Способ повышения точности и достоверности формируемых доплеровских портретов и радиолокационных изображений целей // Радиоэлектроника, 1998. №11. С.28-34. (Изв. высш. учеб. заведений).

19. Нейрокомпьютеры и их применение. Нейрокомпьютеры в системах обработки изображений. Под ред. Ю.В.Гуляева и А.И.Галушкина. - М.: Радиотехника, 2003. Книга 7. С.47-55.

20. Головко В.А. Нейронные сети: обучение, организация и применение. Под ред. Галушкина А.И. - М.: ИПРЖР, 2001. 256 с.

21. Распознавание, автодиагностика, мышление. Синергетика и наука о человеке. Под ред. Д.С.Чернавского. - М.: Радиотехника. 2004, с.68-89.

22. Сафонов А.В., Митрофанов Д.Г. Применение нейросетевой технологии для распознавания целей по радиолокационным изображениям. - М.: Нейрокомпьютеры: разработка и применение, 2006. №3. С.60-68.

Изобретение относится к области радиолокационных измерений и направлено на улучшение распознавания воздушных целей. Достигаемый технический результат изобретения заключается в том, что устраняется недостаток радиолокационной станции с инверсным синтезированием апертуры и перестройкой частоты, заключающийся в несовпадении опорной частоты с частотой принятого сигнала вследствие превышения временем задержки отраженного сигнала периода повторения излучаемых импульсов, при этом двухуровневое построение устройства распознавания, использующее нейросетевую технологию, обеспечивает возможность проведения как классификации (установления класса), так и идентификации (определение конкретного типа) сопровождаемой цели. Указанный результат достигается дополнением прототипа схемой электронной задержки, системой измерения скорости, а также устройством двухуровневого нейросетевого распознавания, состоящего из накопительного буфера, блока обратного быстрого преобразования Фурье, оперативного запоминающего устройства, нейросетевых классификаторов, цифрового коммутатора и табло вывода результатов распознавания, определенным образом соединенных между собой и элементами прототипа. 2 ил.

Многочастотная радиолокационная станция с инверсным синтезированием апертуры и двухуровневым распознаванием целей, состоящая из четырех аналого-цифровых преобразователей, второго усилителя мощности, связанного своим выходом со входом азимутального привода, выход которого связан со вторым входом антенны, вход-выход которой связан с первым вход-выходом моноимпульсного облучателя, а первый вход - с выходом угломестного привода, вход которого соединен с выходом первого усилителя мощности, связанного входом с выходом первого фазового детектора, второй вход которого связан с выходом блока элементов линейной части приемника суммарного канала, а первый вход - с выходом блока элементов линейной части приемника разностного угломестного канала, второй вход которого связан с первым выходом первого ключа, а первый вход - с первым выходом моноимпульсного облучателя, второй вход-выход которого соединен с вход-выходом антенного переключателя, а второй выход - с первым входом блока элементов линейной части приемника разностного азимутального канала, второй вход которого связан с первым входом блока элементов линейной части приемника суммарного канала и первым выходом первого ключа, а выход - с первым входом второго фазового детектора, выход которого связан со входом второго усилителя мощности, а второй вход - с первым входом третьего фазового детектора, вторым входом первого фазового детектора и входом амплитудного детектора, выход которого соединен с первым входом второго ключа и вторым входом системы измерения дальности, соединенной своим выходом со входом первого аналого-цифрового преобразователя, а также включающая задающий генератор, подключенный выходом к первому входу первого ключа, соединенного вторым входом со вторым выходом схемы управления, предназначенной для формирования управляющих импульсов, а вторым выходом - с первым входом смесителя, соединенного выходом со входом когерентного передатчика, подключенного выходом ко входу антенного переключателя, выход которого связан со вторым входом блока элементов линейной части приемника суммарного канала, причем второй вход смесителя подключен к выходу синтезатора частоты на поверхностных акустических волнах, вход которого связан с первым выходом указанной схемы управления, связанной своим входом с первым выходом пульта управления оператора, при этом выход второго ключа соединен со входом второго аналого-цифрового преобразователя, а выход третьего фазового детектора подключен к первому входу третьего ключа, соединенного своим выходом со входом третьего аналого-цифрового преобразователя, выход которого подключен ко второму входу блока компенсации поступательного движения цели, предназначенного для расчета результирующего значения фазы, обусловленного поступательным движением цели и начальной дальностью до цели, четвертый вход которого подключен к выходу четвертого аналого-цифрового преобразователя, отличающаяся тем, что в состав радиолокационной станции включают схему электронной задержки, систему измерения скорости, устройство двухуровневого нейросетевого распознавания, включающее накопительный буфер, блок обратного быстрого преобразования Фурье, оперативное запоминающее устройство, первый нейросетевой классификатор, L вторых нейросетевых классификаторов, число L которых соответствует числу распознаваемых классов целей, цифровой коммутатор и табло вывода результатов распознавания, причем третий выход указанной схемы управления подключают к первому входу системы измерения дальности, выход первого аналого-цифрового преобразователя подключают к первому входу схемы электронной задержки и к третьему входу указанного блока компенсации поступательного движения, второй выход пульта управления оператора связывают со вторыми входами второго и третьего ключей, вход четвертого аналого-цифрового преобразователя соединяют с выходом системы измерения скорости, второй вход которой подключают ко второму входу третьего фазового детектора и выходу схемы электронной задержки, второй вход которой подключают к выходу синтезатора частоты на поверхностных акустических волнах, первый вход системы измерения скорости подключают ко второму входу второго фазового детектора, выход второго аналого-цифрового преобразователя подключают к первому входу указанного блока компенсации поступательного движения, выход которого соединяют со входом накопительного буфера, выход которого связывают со входом блока обратного преобразования Фурье, выход которого подключают ко входу оперативного запоминающего устройства и входу первого нейросетевого классификатора, выходы с первого по L-й которого подключают к соответствующим с первого по L-й входам цифрового коммутатора, (L+1)-й вход которого связывают с выходом оперативного запоминающего устройства, а каждый l-й выход подключают ко входу соответствующего l-го второго нейросетевого классификатора, каждый из которых имеет Z выходов, z-й выход l-го второго нейросетевого классификатора связывают с [(l-1)Z+z]-м входом табло вывода результатов распознавания.