СПОСОБ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ОБЪЕКТАМИ НА ПОВЕРХНОСТИ БОРТОВОЙ РАДИОТЕПЛОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИЕЙ, СОВМЕЩЕННОЙ С РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИЕЙ Российский патент 2010 года по МПК G01S13/89 

Изобретение относится к бортовым системам пассивной и активной радиолокации миллиметрового диапазона, работающим совместно при наблюдении и распознавании неподвижных объектов на поверхности.

При решении задач обнаружения и распознавания объектов в условиях отсутствия оптической видимости используются системы пассивного и активного радиовидения миллиметрового диапазона [1, 2]. Пассивные системы на базе бортовой радиотеплолокационной станции (РТЛС) позволяют формировать двумерное радиотеплолокационное изображения (РТЛИ) наземной или воздушной обстановки в угловых координатах азимута и угла места. Активные системы на базе радиолокационной станции (РЛС) позволяют формировать двумерное и трехмерное радиолокационное изображение (РЛИ) в различных режимах синтезирования апертуры антенны: на основе многоканальной обработки с помощью антенной решетки или сканирующей антенны, а также узкополосной доплеровской фильтрации. При этом РЛС имеет преимущество в разрешающей способности по угловым координатам и возможность измерения дальности. В свою очередь, РТЛС имеет преимущество скрытности. Учитывая, что качество РЛИ выше, чем РТЛИ, целесообразна совместная работа РТЛС и РЛС. Однако существующие способы наблюдения за объектами, описанные в литературе, не предусматривают совместной работы РТЛС и РЛС. В связи с этим возникает необходимость комплексирования работы РТЛС и РЛС при обнаружении и распознавании объектов.

Наиболее близким по технической сущности является способ формирования двумерного РЛИ [3], который применим также для формирования двумерного РТЛИ (например, [1]) и заключается в следующем.

1. Многоканальная или сканирующая антенна принимает совокупность сигналов S_q(t), , каждый из которых имеет смысл суммарного сигнала от точечных излучателей - элементов дискретизации поверхности в зоне обзора по ширине диаграммы направленности антенны (ДНА) в момент времени t.

2. После прохождения тракта первичной обработки в дискретные µ-е моменты времени t_µ выделяются амплитуды сигналов в действительной или комплексной форме (в зависимости от режимов обработки: без учета или с учетом фазы сигнала) s_q(t_µ), , удовлетворяющие следующей модели:

где g_q(i,j) - нормированные коэффициенты ДНА в q-м приемном элементе (или при q-м положении сканирующей антенны); u*(t_µ,i,j) - искомые амплитуды поля излучения в i,j-x элементах дискретизации угла места и азимута; p_q(t_µ) - некоррелированные центрированные помехи типа белого шума.

3. Измерения s_q(t_µ) умножаются на весовые коэффициенты, а результаты умножения суммируются, тем самым вычисляются оценки u(t_µ,i,j) амплитуд u*(t_µ,i,j):

где w_q(i,j) - весовые коэффициенты, вычисляемые заранее в соответствии с методом наименьших квадратов (МНК) при Q>MN. Если Q≤MN, то используется регуляризованный МНК [3].

4. Совокупность оценок (2) представляет восстановленное изображение поверхности по ширине MxN-ДНА в координатах угла места (по i) и азимута (по j) на уровне 0,5 мощности (M=2m+1, N=2n+2).

5. Операции п.п.1-4 повторяются при различных положениях антенны. В результате формируется матрица амплитуд U с элементами u(t_µ,i,j), , , I>M, J>N, представляющая изображение поля излучения в его проекции на плоскость, перпендикулярную линии визирования антенны.

Такой способ позволяет обнаруживать объекты по их радиотепловому изображению, однако обладает следующими недостатками.

1. В силу малой мощности радиотеплового излучения, имеющего шумовой характер, разрешающая способность РТЛИ по угловым координатам ниже, чем разрешающая способность РЛИ, и соответственно ниже вероятность детального распознавания объекта.

2. Двумерное РТЛИ не несет в себе информацию о дальности до объекта или его высоте на поверхности, что снижает безопасность маловысотных полетов и уменьшает вероятность распознавания объекта.

3. Для измерения дальности в РТЛС требуется многократное повторение измерений при различных пространственных положениях РТЛС, в то время как в РЛС дальность измеряется сразу по задержке отраженного сигнала.

Технический результат направлен на повышение разрешающей способности изображения объекта наблюдения и улучшение характеристик его распознавания.

Предлагаемое техническое решение достигается тем, что способ наблюдения за объектами на поверхности бортовой РТЛС, совмещенной с РЛС, заключается в том, что с помощью РТЛС в текущие дискретные моменты времени t_µ, µ=1, 2, …, формируют двумерное изображение поверхности в виде матрицы U_µ амплитуд поля излучения u(t_µ,i,j) в i, j-x элементах дискретизации угла места и азимута, и на полученном изображении выделяют подобласть прямоугольной формы - строб, включающий в себя радиотепловое изображение наблюдаемого объекта, подлежащего распознаванию,

отличающийся тем, что в соседних стробах в моменты времени µ=1, 2, … определяют векторы, указывающие направление на объект и углы между векторами, на этих же промежутках времени определяют вектор перемещения носителя РТЛС на основе данных его навигационной системы, с помощью углов между векторами и по известной длине вектора перемещения носителя РТЛС измеряют дальность до объекта, затем, в текущий момент времени t_µ, при достижении дальности до объекта заданной величины, включают в работу РЛС, пересчитывают радиотепловое изображение объекта в систему координат режима работы РЛС и продолжают наблюдение за объектом, при этом в РЛС формируют трехмерное изображение объекта и осуществляют его распознавание.

Способ алгоритмически осуществляется следующим образом.

1. При наблюдении РТЛС поверхности в дискретные моменты времени t_µ, µ=1, 2, …, формируются матрицы U_µ амплитудного изображения зоны обзора с элементами u(t_µ,i,j), , , в соответствии с описанием (2).

2. В начальный момент времени t₁ в матрице U₁ выделяется изображение наблюдаемого объекта, которое помещается (вписывается) в m₁xn₁ - строб прямоугольной формы: u(t₁,i,j), , , с центром (i₁,j₁). На основе угловых координат центра (i₁,j₁): азимута φ₁ и угла места θ₁ вычисляются в антенной прямоугольной системе х₁, y₁, z₁ координаты единичного вектора , направленного в момент t₁ на объект:

.

3. В следующий момент времени t₂ операции п.2 повторяются, и вычисляется вектор , направленный на тот же объект в момент времени t₂:

.

4. На основе данных навигационной системы об углах поворота осей α, β, γ и приращениях параллельного переноса ΔxΔy, Δz составляется вектор перемещения РТЛС на промежутке [t₁,t₂], и пересчитываются координаты вектора в систему х₂, y₂, z₂ на момент времени t₂:

.

Получается вектор .

5. С помощью скалярного произведения находятся косинусы внутренних углов α, β, γ (γ=π-α-β) треугольника, построенного на векторах , , , и по теореме синусов определяются дальности R₁,R₂ РТЛС до объекта наблюдения в моменты времени t₁,t₂:

, , ,

⇒ , .

6. В последующие моменты времени t₃, t₄, …, t_µ операции п.п.2-5 повторяются и определяются дальности до объекта R₃, R₄, …,R_µ.

7. Если в текущий момент времени t_µ дальность до объекта R_µ достигает заданной величины, то РТЛИ U_µ переписывается в амплитудное РЛИ А_µ в системе координат РЛС согласно режиму работы РЛС. При этом для многоканальной или сканирующей РЛС, работающей в режиме восстановления изображения поверхности в координатах угол места - азимут - дальность, выполняются следующие операции.

7.1. Меняется масштаб РТЛИ в µ-м стробе u(t_µ,i,j)=u_C(i,j), , , по i,j-м координатам (по углу места и азимуту), т.е. изображение в одной прямоугольной сетке разбиения координат переписывается в изображение в другой прямоугольной сетке угловых координат. В результате получается строб РЛИ A_C(t_µ,i',j'), , , изображение которого передается РЛС.

7.2. В момент t_µ включается в работу РЛС и к моменту t_µ+1 формируется амплитудное РЛИ зоны обзора в элементах дискретизации i,j-x угловых координат и в k-x элементах разрешения дальности: A(i,j,k), , , . Для восстановления РЛИ в i-x элементах дальности, так же как для РТЛС, используется способ [4], т.е. формулы (1), (2) с той разницей, что в РЛС отношение сигнал-шум выше, чем в РТЛС, и соответственно выше разрешающая способность изображения.

7.3. Далее совокупность оценок амплитуд A(i,j,k) пересчитывается в матрицу A(i,j), элементами которой являются максимальные по k значения амплитуд A(i, j, k), взятые на промежутке времени t приема отраженных сигналов, при этом дополнительно формируется матрица R(ij) радиальных дальностей в координатах θ_i,φ_j,R_k РЛС. Амплитудное изображение A(i,j) соответствует оптическому восприятию наблюдателя (пилота летательного аппарата-носителя РЛС). Наличие матрицы дальностей R(i,j) несет дополнительную информацию, повышающую вероятность распознавания объекта.

7.4. Далее полученное трехмерное РЛИ A(i,j), R(i,j) вместе с ранее выделенным стробом A_C(t_µ,i',j') передается на алгоритмы распознавания.

8. Для РЛС, работающей в режиме узкополосной доплеровской фильтрации при наблюдении поверхности в координатах дальность - доплеровская частота, выполняются следующие операции.

8.1. Вводится прямоугольная сетка по i и j (по дальности и частоте). Координаты θ_i, φ_j, центра каждого i, j-го элемента строба РТЛИ пересчитываются в координаты R, f (дальность, частота) по формулам:

где h - высота полета носителя РЛС; ν - скорость движения носителя; λ - длина волны РЛС; ψ - угол между вектором скорости носителя и принимаемым лучом отражения от i,j-го элемента поверхности с угловыми координатами θ_i, φ_j, причем косинусы указанных углов связаны между собой уравнением линии доплеровского элемента разрешения [4]. Угол места θ_i, отсчитывается от горизонтальной плоскости движения носителя.

8.2. Для вычисленных по формуле (3) значений R, φ определяются соответствующие им номера i', j' элементов матрицы РЛИ, в которые записывается амплитуда i,j-го элемента строба РТЛИ u_C(i,j). По совокупности всех значений i,j, пересчитанных в i',j', получается строб РЛИ с элементами A_C(i',j'). Учитывая возможную неоднозначность преобразования θ_i, φ_j в R_i',f_j', в элементах A_C(i',j') запоминается максимальная амплитуда. В незаполненных элементах A_C(i',j') остаются нулевые значения амплитуды.

8.3. В момент t_µ включается в работу РЛС и к моменту t_µ+1 формируется двумерное амплитудное РЛИ зоны обзора в i,j-x элементах разрешения дальности и доплеровской частоты A(i,j), , , которое вместе с полученным стробом A_C(i',j') передается на алгоритмы распознавания РЛИ.

9. Предусматривается режим, когда наблюдение за поверхностью начинает РЛС. При этом выполняются следующие операции.

9.1. В момент времени t_µ формируется РЛИ A(i,j), R(i,j), на основании которого решается задача обнаружения и распознавания объекта наблюдения. Затем выделяется строб A_C(i,j) с изображением объекта в координатах угол места - азимут или дальность - частота в зависимости от режима работы РЛС.

9.2. Далее РЛИ A_C(i,j) в соответствии с вышеизложенным алгоритмом пересчитывается в РТЛИ u_C(i',j').

9.3. В режиме доплеровской фильтрации на основе R_i, f_j из (3) вычисляются θ, φ:

и определяются соответствующие им номера i', j' матрицы РТЛИ, в которые переписываются значения i,j-x элементов строба РЛИ A_C(i,j). Полученный строб РТЛИ u_C(i',j') используется для дальнейшего наблюдения объекта.

10. Для того чтобы избежать неточностей измерения высоты h в формуле (4), один из углов θ или φ измеряется моноимпульсным способом [5, с.95-105] в каждом i-м элементе дальности, а второй угол φ или θ вычисляется:

.

Предложенный способ позволяет за счет комплексирования работы РТЛС и РЛС более эффективно решать задачи обнаружения и распознавания изображений объектов на поверхности за счет соединения тактических преимуществ РТЛС и характеристик РЛС.

Литература

1. Пирогов Ю.А., Тимановский А.Л. Сверхразрешение в системах пассивного радиовидения миллиметрового диапазона // Радиотехника. 2006 №3. С.14-19.

2. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов. / Под ред. Г.С.Кондратенкова. - М.: "Радиотехника", 2005. 368 с.

3. Патент RU 2292060 С1. Способ наблюдения за воздушными объектами и поверхностью на базе бортовой РЛС. / В.К.Клочко. МПК: G01S 13/02. Приоритет 28.06.2005. Опубл.: 20.01.2007. Бюл. №2.

4. Клочко В.К. Методика определения координат доплеровских элементов разрешения при получении трехмерных изображений поверхности // Автометрия. 2002. №6. С.12-20.

5. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. - М.: Радио и связь, 1984. 312 с.

Изобретение относится к бортовым системам пассивной и активной радиолокации миллиметрового диапазона, работающим совместно при наблюдении и распознавании неподвижных объектов на поверхности. Достигаемый технический результат заключается в повышении разрешающей способности изображения объекта наблюдения и улучшении характеристик его распознавания. Способ наблюдения за объектами на поверхности бортовой радиотеплолокационной станции (РТЛС), совмещенной с радиолокационной станцией (РЛС), заключается в том, что с помощью РТЛС формируют двумерное изображение наблюдаемого объекта, подлежащего распознаванию, отличающийся тем, что в процессе перемещения РТЛС измеряют дальность до объекта, затем на определенном рубеже дальности пересчитывают радиотепловое изображение объекта в систему координат того или иного режима РЛС, которая включается в работу вместо РТЛС и продолжает наблюдение за объектом, формируя его трехмерное изображение для более детального распознавания.

Способ наблюдения за объектами на поверхности бортовой радиотеплолокационной станцией (РТЛС), совмещенной с радиолокационной станцией (РЛС), заключающийся в том, что с помощью РТЛС в текущие дискретные моменты времени t_µ, µ=1, 2, …, формируют двумерное изображение поверхности в виде матрицы U_µ амплитуд поля излучения U(t_µ,i,j) в i, j-x элементах дискретизации угла места и азимута и на полученном изображении выделяют подобласть прямоугольной формы - строб, включающий в себя изображение наблюдаемого объекта, подлежащего распознаванию, отличающийся тем, что в соседних стробах в моменты времени µ=1, 2, … определяют векторы, указывающие направление на объект и углы между векторами, на этих же промежутках времени определяют вектор перемещения носителя РТЛС на основе данных его навигационной системы, с помощью углов между векторами и по известной длине вектора перемещения носителя РТЛС измеряют дальность до объекта, затем в текущий момент времени t_µ при достижении дальности до объекта заданной величины, включают в работу РЛС, пересчитывают радиотепловое изображение объекта в систему координат режима работы РЛС и продолжают наблюдение за объектом, при этом в РЛС формируют трехмерное радиолокационное изображение объекта и осуществляют его распознавание.