СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И КООРДИНАТ ЭЛЕМЕНТОВ ОБЪЕМА ПРОТЯЖЕННОГО ОБЪЕКТА ПРИ ЕГО СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОМ ЗОНДИРОВАНИИ Российский патент 2013 года по МПК G01S13/02 

Изобретение относится к способам радиолокационных измерений и может быть использовано для определения эффективных площадей рассеяния (ЭПР) и координат элементов объема протяженного объекта при его зондировании сверхширокополосным (СШП) сигналом.

Знание отражательных характеристик и координат элементов протяженного объекта позволяет строить его трехмерное изображение и судить о структуре и составе объекта. Это является важной информацией в таких актуальных задачах, как распознавание объектов и контроль их состояния, например определение разрушений и дефектов внутренней структуры.

Известен способ (прототип) [1] определения отражательных характеристик элементов протяженного объекта - отдельных его «блестящих» точек - в виде их комплексных коэффициентов отражения, а также определения координат этих «блестящих» точек. Способ является параметрическим и заключается в зондировании объекта СШП сигналом известной формы, приеме рассеянного объектом излучения и формировании комплексного радиолокационного изображения (РЛИ) объекта - зависимости комплексной огибающей принятого радиолокационного сигнала от дальности и угла азимута. При этом априори определяют характеристику направленности антенны по мощности и на основе известных формы сигнала и характеристики направленности антенны определяют двумерный пространственный спектр радиолокационного отклика некоторого центра рассеяния, определяют двумерное преобразование Фурье РЛИ объекта и проводят специальную математическую обработку этого двумерного преобразования Фурье вместе с двумерным пространственным спектром радиолокационного отклика, в результате которой определяют координаты и комплексные коэффициенты рассеяния элементов объекта - его "блестящих" точек.

Способ-прототип обладает следующими недостатками.

1. Существенным недостатком является то, что способ-прототип является параметрическим способом и для его реализации априори должно быть известно число "блестящих" точек объекта. Это делает способ-прототип недостоверным, так как вместо характеристик элементов объема объекта в прототипе определяются характеристики заменяющих эти элементы "блестящих" точек, число которых задано априори.

2. Недостатком является сложность измерений, необходимых для реализации прототипа. Согласно [1] способ-прототип реализуется на основе обработки комплексного РЛИ объекта. Чтобы получить его, необходимо провести достаточно сложные измерения комплексной огибающей принятого радиолокационного сигнала в зависимости от дальности и угла азимута.

3. Способ-прототип является малоинформативным в смысле оценивания истинного трехмерного изображения объекта и его структуры, поскольку реальный объем и реальные элементы объема объекта заменены в прототипе ограниченным фиксированным числом "блестящих" точек.

Технической задачей данного изобретения является создание способа определения отражательных характеристик и координат элементов объема протяженного объекта при его СШП зондировании, который не является параметрическим и, в силу этого, обладает повышенными достоверностью и информативностью в смысле определения трехмерного изображения объекта и его структуры, а также позволяет упростить измерения.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения отражательных характеристик и координат элементов объема протяженного объекта при его сверхширокополосном зондировании, заключающемся в зондировании объекта известным сверхширокополосным сигналом s(t) и приеме отраженного объектом излучения, согласно изобретению отраженное объектом излучение принимают множеством приемников, расположенных в разных точках пространства, причем до проведения измерений контролируемую область пространства, включающую объект, разбивают на элементы разрешения по объему, нумеруют их и фиксируют координаты каждого элемента разрешения, определяют априори совокупные коэффициенты усиления антенн излучателя и приемников G_iµ и интервалы запаздывания сигнала τ_iµ при прохождении излучения от источника до каждого элемента разрешения и от него - до каждого приемника, где i - номер приемника, µ - номер элемента разрешения, по априорным данным (формируют зависящую от времени весовую матрицу

,

где , N - число приемников, K - число элементов разрешения в контролируемой области пространства, в некоторый момент времени t' фиксируют значения сигналов на выходах приемников и объединяют их в вектор измерений , где - выходной сигнал i-го приемника в момент t', индекс Т обозначает транспонирование, находят оценку вектора рассеяния из векторно-матричного уравнения измерений , где - вектор ошибок измерений, выделяют существенно отличные от нуля компоненты вектора , определяют отражательные характеристики элементов объема протяженного объекта в виде их эффективных площадей рассеяния как значения выделенных компонент вектора и определяют координаты этих элементов объекта как координаты элементов разрешения с номерами, равными номерам соответствующих выделенных компонент вектора .

Особенностью заявляемого способа является возможность по достаточно просто получаемым измерениям сигналов на выходах приемников определять отражательные характеристики элементов разрешения, составляющих объем протяженного объекта. Положительный эффект достигается за счет специальной обработки измеренных данных с использованием априорной информации. При этом способ оказывается непараметрическим и обладающим повышенной информативностью, поскольку за элементы объема объекта будут приняты все те элементы разрешения из контролируемой области пространства, которые имеют отличные от нуля ЭПР, а также будут определены их пространственные координаты, что позволяет строить трехмерное изображение объекта с гораздо большей информативностью и достоверностью, чем это позволяет делать прототип, сводящий весь объем объекта к заданному априори числу «блестящих» точек.

Обоснование способа.

В теории рассеяния СШП сигналов объект представим как пространственно распределенная цель, состоящая из набора элементарных отражателей. При этом предполагается, что форма падающего и отраженного сигналов для каждого элементарного отражателя остается неизменной, а интенсивность отражения пропорциональна ЭПР элементарного отражателя.

Ставится задача определить ЭПР элементов объема протяженного объекта при его СШП зондировании и определить пространственные координаты этих элементов.

Для решения задачи (см. фиг.1) разобьем контролируемую область пространства 1, включающую объект 3, на элементы разрешения по объему 2. Пронумеруем эти элементы разрешения и зафиксируем их пространственные координаты, которые опишем координатными векторами 6: , где K - число элементов разрешения в контролируемой области пространства. Начало системы координат будем полагать совмещенным с источником излучения СШП сигнала 4. Отраженное объектом излучение будем принимать множеством приемников 5, расположенных в разных точках пространства. Положения приемников зададим координатными векторами 7: , где N - число приемников. Излучаемый сигнал s(t) полагаем известным.

Определим коэффициенты усиления излучателя для каждого элемента разрешения и обозначим их соответственно . Определим также коэффициенты усиления приемников для каждого элемента разрешения в контролируемой области пространства и обозначим их , где i - номер приемника, i=1, 2,…N. Тогда совокупные коэффициенты усиления антенн излучателя и приемников при прохождении излучения от источника до каждого элемента разрешения и от него - до каждого приемника определятся как , где i - номер приемника, µ - номер элемента разрешения.

Определим интервалы запаздывания сигнала при прохождении от источника до каждого элемента разрешения и от него - до каждого приемника:

,

где ν - скорость распространения сигнала в среде, которая по своим свойствам предполагается близкой к свободному пространству.

Обозначим ЭПР µ-го элемента разрешения . Тогда сигнал на выходе i-го приемника определится как

Обозначим и перепишем (1) в векторно-матричной форме:

где - весовой вектор, - вектор рассеяния.

Запишем систему уравнений, аналогичных (2), которая определяет сигналы на выходах всех N приемников излучения:

В системе уравнений (3) весовые векторы известны. Объединим их в весовую матрицу

.

Сигналы на выходах приемников могут быть измерены. Выберем момент измерений t' и зафиксируем в этот момент значения сигналов на выходах всех приемников. Полученные значения объединим в вектор измерений

.

Исходя из (3) и с учетом введенных обозначений запишем векторно-матричное уравнение измерений

.

С учетом ошибок измерений это уравнение примет вид

где - вектор ошибок измерений.

В уравнении измерений (4) неизвестным является вектор рассеяния . Этот вектор включает в качестве компонент ЭПР всех элеменов разрешения в контролируемой области пространства. В этой области часть элементов разрешения составляет элементы объема протяженного объекта, а другая часть является элементами разрешения среды распространения сигнала, которую предполагаем не отражающей сигнал или отражающей в значительно меньшей степени, чем элементы объема объекта. Поэтому те компоненты вектора , которые принадлежат объекту, будут иметь значения ЭПР элементов объекта, а остальные, относящиеся к пространству распространения сигнала, будут значительно меньшими, близкими к нулю. При этом каждая компонента вектора рассеяния соответствует определенному элементу разрешения: значение копоненты равно ЭПР элемента разрешения, а номер компоненты равен его номеру. По этому номеру определяются кооринаты элемента разрешения. Таким образом, i-я компонента определяет и координаты и ЭПР i-го элемента разрешения. При отличном от нуля значении ЭПР естественно полагать, что этот элемент разрешения является элементом объема объекта.

Таким образом, для решения задачи определения ЭПР элементов объекта и их координат достаточно определить вектор .

Существуют разные методы нахождения оценки вектора рассеяния из уравнения измерений (4). При известных статистических данных об ошибках измерения и ЭПР можно использовать винеровское оценивание [2]. При отсутствии такой информации можно использовать менее точный метод псевдообращения [3], согласно которому оценка вектора рассеяния определяется соотношением

где индекс + обозначает псевдообращение матрицы.

Компоненты оценки вектора рассеяния (5) представляют собой оценки ЭПР элементов разрешения контролируемой области пространства. При этом существенно отличные от нуля значения соответствуют отражающим элементам объекта, а близкие к нулю значения соответствуют не попадающим в объем объекта элементам разрешения. Поэтому для решения поставленной задачи определения отражательных характеристик элементов объема протяженного объекта в виде их ЭПР и определения координат этих элементов выделим компоненты вектора , существенно отличные от нуля. Номера этих компонент равны номерам элементов разрешения, лежащих в области объекта и являющихся элементами объема объекта. Координаты этих элементов известны априори по их номерам. Значения же этих компонент равны ЭПР соответствующих элементов объекта. Преимущества предлагаемого способа по сравнению с прототипом следующие.

1. Заявляемый способ, в отличие от прототипа, является непараметрическим. Для его реализации не требуется знать число отражающих элементов объекта: число это будет определяться числом получившихся существенно отличных от нуля компонент оценки вектора рассеяния и может быть любым в пределах числа элементов разрешения в контролируемой области пространства. Это делает заявляемый способ более достоверным, поскольку в нем отсутствует привязка результата к априори установленному числу отражающих элементов.

2. В заявляемом способе по сравнению с прототипом используются более простые измерения - измерения сигналов на выходах приемников излучения вместо комплексного РЛИ в координатах дальность-азимут, используемого в прототипе.

3. Заявляемый способ обладает по сравнению с прототипом повышенной информативностью в смысле оценивания трехмерного изображения объекта и его структуры, поскольку позволяет выявлять характеристики действительных отражающих элементов объекта (их ЭПР и координаты), а не заменять их характеристиками априори назначенного числа "блестящих" точек.

4. Заявляемый способ позволяет легко изменять степень детализации объекта, которая определяется задаваемым априори размером элементов разрешения по объему.

Источники информации

1. Кузнецов Ю.В., Баев А.Б., Коновалюк М.А. Определение параметров многоточечных целей по спектру радиолокационного изображения // Вестник МАИ, 2010, т.17, №3, с.193-198 (прототип).

1. Самойленко В.И., Пузырев В.А., Грубрин И.В. Техническая кибернетика: Учеб. пособие. - М.: Изд-во МАИ, 1994, с.130-132.

3. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. 4-е изд. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат.лит., 1988, с.35.

Способ относится к радиолокационным измерениям. Достигаемый технический результат - повышение достоверности определяемых данных и их информативности и упрощение измерений. Способ заключается в зондировании объекта известным сверхширокополосным сигналом и приеме отраженного объектом излучения множеством приемников, причем до проведения измерений контролируемую область пространства, включающую объект, разбивают на элементы разрешения по объему, нумеруют их и фиксируют координаты каждого элемента разрешения, определяют априори совокупные коэффициенты усиления антенн излучателя и приемников и интервалы запаздывания при прохождении излучения от источника до каждого элемента разрешения и от него - до каждого приемника, по априорным данным формируют зависящую от времени весовую матрицу, в некоторый момент времени фиксируют значения сигналов на выходах приемников и объединяют их в вектор измерений, находят оценку вектора рассеяния из векторно-матричного уравнения измерений, которое отображает зависимость вектора измерений от вектора рассеяния и включает весовую матрицу, выделяют существенно отличные от нуля компоненты этой оценки, определяют отражательные характеристики элементов объема протяженного объекта в виде их ЭПР как значения выделенных компонент и определяют координаты этих элементов объекта как координаты элементов разрешения с номерами, равными номерам соответствующих выделенных компонент оценки вектора рассеяния. 1 ил.

Способ определения отражательных характеристик и координат элементов объема протяженного объекта при его сверхширокополосном зондировании, заключающийся в том, что объект зондируют известным сверхширокополосным сигналом s(t) и принимают отраженное объектом излучение, отличающийся тем, что отраженное объектом излучение принимают множеством приемников, расположенных в разных точках пространства, причем до проведения измерений контролируемую область пространства, включающую объект, разбивают на элементы разрешения по объему, нумеруют их и фиксируют координаты каждого элемента разрешения, определяют априори совокупные коэффициенты усиления антенн излучателя и приемников G_iµ и интервалы запаздывания сигнала τ_iµ при прохождении излучения от источника до каждого элемента разрешения и от него - до каждого приемника, где i - номер приемника, µ - номер элемента разрешения, по априорным данным формируют зависящую от времени весовую матрицу
,
где , N - число приемников, K - число элементов разрешения в контролируемой области пространства, в некоторый момент времени t' фиксируют значения сигналов на выходах приемников и объединяют их в вектор измерений , где - выходной сигнал i-го приемника в момент t', индекс Т обозначает транспонирование, находят оценку вектора рассеяния из векторно-матричного уравнения измерений , где - вектор ошибок измерений, выделяют существенно отличные от нуля компоненты вектора , определяют отражательные характеристики элементов объема протяженного объекта в виде их эффективных площадей рассеяния как значения выделенных компонент вектора и определяют координаты этих элементов объекта как координаты элементов разрешения с номерами, равными номерам соответствующих выделенных компонент вектора .