СПОСОБ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ПРОВЕРКИ ИНФОРМАЦИОННЫХ И ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ДОПЛЕРОВСКИХ ПОРТРЕТОВ ВОЗДУШНЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2015 года по МПК G01S13/90 

Изобретение относится к радиолокационным методам и предназначено для проведения тщательной и качественной проверки идентификационных возможностей векторных одночастотных признаков отождествления (идентификации) объектов, к которым, в частности, относятся и доплеровские портреты.

Использование векторных признаков классификации (определение класса объекта) и идентификации (определение типа объекта) объектов является в настоящее время общепринятым и описано, например, в [1-6]. Однако предлагаемые в них признаки отождествления (различения) объектов чаще всего формируются методом математического или физического моделирования и не проходят основательной проверки на устойчивость в различных условиях, вследствие чего при реализации возникают дополнительные ошибки, снижающие эффективность идентификации объектов с использованием указанных признаков. Отмеченная выше проблема проверки признаков на повторяемость и устойчивость как пример оговорена в [3 с. 275-276]. Поэтому признаки векторного типа, критичные к условиям формирования и параметрам радиолокационных устройств должны проходить глобальную скрупулезную экспериментальную проверку на устойчивость и повторяемость с помощью различных способов и методов. Такие методы известны, но они не всегда обеспечивают высокое качество проверки признаков, к которым относится и доплеровский портрет [5-8].

Известен способ экспериментальной проверки информационных и идентификационных возможностей доплеровских портретов (ДП) воздушных объектов (ВО), реализуемый с соблюдением принципов электродинамического масштабного моделирования в безэховой камере [1, 2, 9-15]. Способ заключается в том, что исследуемый объект изготавливают в уменьшенном размере, причем коэффициент масштабирования выбирают таким, чтобы модель объекта позволяла поместить ее в безэховую камеру (БК) и закрепить на поворотном устройстве. Длину волны λ_бэк передающего радиолокационного устройства БК выбирают из условия выполнения требований электродинамического подобия по формуле

λ_бэк=λ_рлсL_мод/L_об=λ_рлс/K_мод ,

где λ_рлс - длина волны реальной радиолокационной станции, в интересах которой проводятся исследования [16], L_мод - размер модели объекта, L_об - размер реального объекта, К_мод=L_об/L_мод - коэффициент или масштаб моделирования. Модель объекта изготавливают из материала, отражающие свойства которого соответствуют отражающим свойствам реального объекта. Модель объекта помещают на поворотную радиопоглощающую платформу, угловое положение которой в любой момент времени фиксируется специальным регистратором с высокой точностью (точность, как правило, не хуже величины 0,01°). Удаление R_бэк поворотной платформы от передающей антенны внутри БЭК выбирают с учетом неравенства $$R_{бэк}\ge 2L_{мод}^{2}B/{\lambda }_{бэк}$$ , где В - коэффициент пропорциональности, причем В>1 [10 с. 29; 16 с. 12]. Этот выбор обеспечивает плоский фронт падающей электромагнитной волны (ЭМВ) в точке расположения модели объекта. Для более качественного получения плоского фронта волны в области масштабной модели дополнительно используют коллиматор (радиолинзу). Излучают в направлении масштабной модели объекта (ММО) радиолокационные сигналы и принимают с помощью радиоприемной системы, расположенной также внутри БЭК, отраженные моделью объекта сигналы. Изменяя азимутальное (курсовое) положение ММО с низкой угловой скоростью, последовательно записывают параметры принимаемых отраженных сигналов в запоминающее устройство (ЗУ). Одновременно с записью параметров отраженных сигналов проводят фиксацию и запись углового положения ММО. Проводят согласованную корреляционно-фильтровую обработку принятых сигналов от ММО, усиливают их, разделяют на фазовом детекторе на квадратурные (синусную и косинусную) составляющие и записывают их значения в ЗУ, формируя генеральный массив квадратурных составляющих для всех значений азимута β ММО, т.е. при изменении β вкруговую. Повторяют запись отраженных сигналов и их квадратурных составляющих при изменении азимута ММО от 0 до 360° несколько раз. Последовательно выбирают из массива записанных квадратурных составляющих N смежных пар этих составляющих, соответствующих изменению азимутального положения ММО на единицы градусов, проводят с ними операцию дискретного (по возможности - быстрого) преобразования Фурье (ПФ) для получения доплеровского портрета ММО и сохраняют в ЗУ сформированный доплеровский портрет ММО в виде массива или вектора квадратурных составляющих комплексных чисел, модульные значения которых представляют огибающую ДП ММО, соответствующего вполне конкретному угловому (азимутальному) положению объекта. Огибающую комплексного спектрального вектора ДП в большинстве исследовательских коллективов и считают непосредственным доплеровским портретом объекта. Интервал времени, в течение которого были последовательно записаны очередные N отраженных сигналов, называют интервалом синтезирования. Сформированный из N отраженных сигналов ДП считают соответствующим азимутальному положению ММО в середине интервала синтезирования, используемого для записи этих N сигналов. Сравнивая полученные в разное время, но при одинаковом азимутальном положении ММО, доплеровские портреты между собой по мере их сходства между собой, а также по мере их сходства с ДП реального объекта, полученного на том же азимуте (если такие данные имеются), определяют степень устойчивости, повторяемости и информационности ДП объекта, а также его идентификационные возможности. Считают при этом, что идентификационные возможности тем выше, чем сильнее мера сходства ДП, полученных из отраженных сигналов, отраженных объектом при одинаковых условиях, но в разное время, т.е. на разных этапах экспериментальных исследований.

Описанный способ экспериментальной проверки информационных и идентификационных возможностей ДП не является эффективным, поскольку ему свойственны следующие недостатки:

- при изготовлении ММО не могут быть учтены все особенности элементов конструкции, а особенно их индивидуальные отражательные свойства;

- при получении ДП в БЭК невозможно правильно адекватно учесть различные углы места объекта (воздушного объекта);

- все измерения проводятся при одной частоте излучения, и зависимость ДП как признака идентификации от частоты не проверяется, т.е. этой зависимостью (если таковая имеется) пренебрегают;

- отсутствует учет отражений от вращающихся элементов двигательных установок, которые могут искажать планерную отражательную характеристику (ОХ) воздушного объекта;

- отражательные характеристики ММО получают при постоянной угловой скорости поворота, что в реальных условиях сопровождения ВО выполняется крайне редко (за исключением космических объектов).

Известен другой способ экспериментальной проверки информационных и идентификационных возможностей ДП воздушных объектов, реализуемый в условиях излучения радиолокационных сигналов в свободном пространстве, но также при использовании ММО [17]. Способ заключается в том, что ММО с коэффициентом масштабирования не более нескольких единиц вместе с опорно-поворотным устройством (ОПУ) подвешивают с помощью тросов и растяжек в свободном пространстве на высоте нескольких десятков метров над землей. Тросы из радиопрозрачного материала, удерживающие ММО с ОПУ, закрепляют на вышках, находящихся на расстоянии, при котором эти вышки выходят за пределы характеристики направленности антенны приемопередающей радиолокационной станции (РЛС). В качестве экспериментальной РЛС используют типовую РЛС с импульсным зондированием и развязкой передающего и приемного устройства или РЛС с отдельным передающим и отдельно расположенным приемным устройством. Такой тип экспериментов принято считать полунатурным [1]. Угол между направлениями от места закрепления ММО на приемную и передающую антенны выбирают величиной порядка единиц градусов (в [17] он равен 6°). Расстояние от РЛС до ММО выбирают равным 5×10⁴ длин волн, т.е. порядка 1,5 км, что при длине волны λ=3 см обеспечивает выполнение условий дальней зоны. Для вращения ММО используют ОПУ с понижающим угловую скорость редуктором, обеспечивая угловую скорость вращения ММО по азимуту γ=4,3±0,2°/c. Излучают в направлении ММО зондирующие сигналы и принимают отраженные ММО сигналы, усиливают их и компенсируют специальным методом (компенсационным методом) паразитные отражения от местных предметов, ОПУ и вышек. Удерживающие ММО тросы, закрепленные на вышках, располагают перпендикулярно линии визирования исследуемого объекта. Поворачивают ММО по азимуту (курсу относительно РЛС) и с шагом дискретизации по времени Δt=30 мс, что соответствует шагу дискретизации по азимуту δβ=8 угловых минут, фиксируют с помощью специального записывающего устройства амплитуду, фазу и время поступления (приема) отраженных ММО радиолокационных сигналов, а также с помощью диаграммного самописца фиксируют изменение во времени курса (азимута β) ММО. Выбор шага дискретизации по азимуту проводят из соображений, чтобы он был меньше ширины лепестка диаграммы вторичного рассеяния, равного величине λ/L_мод, где L_мод - максимальный поперечный размер модели наиболее габаритного объекта. Размер приемной и передающей антенн выбирают равным 37λ, обеспечивая тем самым ширину характеристики направленности ΔΘ_0,5p≈1,5°. Запись амплитуд А, фаз φ, времен t и угловых положений β после перевода амплитуд и фаз i-x отсчетов в комплексную форму вида A_iexp(j(φi) проводят на магнитный носитель электронно-вычислительной машины (ЭВМ). После записи параметров отраженных сигналов для всех азимутальных положений ММО (т.е. вкруговую), опираясь на данные о временах приема отраженных сигналов, выделяют из общего генерального массива (ГМ) данных об отраженных сигналах частные выборки (ЧВ) данных об амплитудах и фазах сигналов, полученных на установленных заблаговременно интервалах инверсного синтезирования (ИИС). Для всех формируемых ЧВ величину ИИС выбирают одинаковую и соответствующую изменению азимута ММО на 1-2°. С учетом неизменности периода повторения Т_и излучаемых сигналов получают в каждой ЧВ по М комплексных чисел, выражающих параметры отражения сигналов от ММО. Частные выборки формируют со сдвигом на один элемент ГМ. При числе Х комплексных отсчетов в ГМ и числе М комплексных отсчетов-элементов в составе ЧВ всего из генерального массива извлекают (Х-М+1) частных выборок. Каждую ЧВ считают соответствующей своему ИИС. Проводят с массивом комплексных амплитудно-фазовых отсчетов каждой ЧВ операцию дискретного ПФ [18, 19], в результате для каждого ИИС (для каждой ЧВ) формируют спектральный комплексный массив (вектор) отсчетов, огибающую которого считают доплеровским портретом ММО, соответствующим по времени середине этого ИИС, т.е. времени приема отраженного сигнала, записанного в середине используемой ЧВ [20, 21]. Выделяют указанные выше огибающие, строят графические формы полученных ДП и проводят их сравнение с ДП, полученными для аналогичных объектов другими методами, а также с ДП, сформированными указанным способом, но на предшествующих циклах экспериментов. По результатам совпадения параметров ДП одинакового курсового угла (азимута) между собой принимают решение о достоверности и соответствующей информативности получаемых ДП. А по результатам отличия ДП, полученных на одинаковых курсовых углах, но от разных объектов, делают вывод об идентификационных возможностях ДП.

Данный способ также не может быть признан эффективным, так как имеет следующие недостатки:

- при изготовлении ММО не могут быть учтены все особенности элементов конструкции, а особенно их индивидуальные отражательные свойства;

- при получении ДП от подвешенных на тросах моделей невозможно правильно адекватно учесть различные углы места объекта (воздушного объекта);

- все измерения проводятся на одной несущей частоте зондирования, зависимость ДП как признака идентификации от частоты не проверяется, т.е. этой зависимостью (если таковая имеется) пренебрегают;

- отсутствует или не обладает адекватностью учет отражений от вращающихся элементов двигательных установок объекта, которые могут искажать планерную ОХ воздушного объекта;

- отражательные характеристики ММО получают при постоянной угловой скорости поворота, что в реальных условиях сопровождения ВО выполняется крайне редко;

- не выполняются принципы электродинамического подобия, так как модели изготавливаются в масштабе, а локаторы имеют стандартную длину волны.

Известен и проверен на практике еще один (наиболее адекватный и надежный) способ экспериментальной проверки информационных и идентификационных возможностей доплеровских портретов воздушных объектов [22], заключающийся в том, что в направлении реального объекта (которым может быть и воздушный объект) с помощью реальной РЛС с диапазоном волн от единиц до десятков сантиметров излучают сверхвысокочастотные импульсные сигналы одинаковой частоты, а затем принимают отраженные объектом сигналы, усиливают их на высокой частоте, проводят их частотную фильтрацию, переводят на промежуточную частоту, проводят основное усиление на промежуточной частоте, проводят внутрипериодную (в пределах периода повторения импульсов) согласованную обработку принятых сигналов сверткой с зондирующим сигналом для выделения пиков их откликов, в точках пиков откликов отраженных сигналов фиксируют их амплитуду, фазу и точное время приема, записывают эти параметры для всех по очереди периодов повторения на магнитный носитель (в [22] им является магнитная лента) в виде генерального массива (ГМ) данных, содержащего амплитуды, фазы и времена приема сигналов [23], выбирают величину ИИС Т_c (который называют интервалом накопления) на основе необходимого спектрального разрешения по формуле Т_с=1/δf_p, где δf_p - необходимая разрешающая способность в частотной области, выделяют из генерального массива данных об амплитудах, фазах и временах приема частную выборку (ЧВ), соответствующую исследуемому ИИС, переводят амплитуду A_s и фазу φ_s каждого s-го отсчета (отсчетом называют номер сигнала и соответствующие ему параметры) с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) в цифровой вид и далее - в комплексную форму вида A_sexp(jφ_s), где A_s и φ_s - соответственно амплитуда и фаза пика отклика s-го отраженного сигнала, проводят с данными частной выборки комплексных отражений от объекта операцию дискретного преобразования Фурье (ПФ) и формируют в результате спектральный комплексный массив, выражающий своей огибающей доплеровский портрет воздушного объекта. Выделяют огибающую комплексного спектрального вектора и именуют ее доплеровским портретом ВО. Последовательно сдвигая во времени в пределах интервала записи данных в генеральный массив, выбранный по продолжительности ИИС, т.е. передвигая от начала к концу генерального массива ЧВ, формируют для каждого из ИИС методом дискретного ПФ и выделения огибающей соответствующий доплеровский портрет, записывают сформированные доплеровские портреты в запоминающее устройство и передают их в цифровом виде в устройство анализа (например, в устройство идентификации объектов), в котором сравнивают полученные ДП с их аналогами, сформированными заблаговременно подобным или иными методами. По результатам сравнения или по результатам идентификации определяют стабильность и информационные свойства (соответствие аналогам, полученным иным методом или в иное время) доплеровских портретов, соответствующих определенному объекту с определенным азимутальным положением, на основе чего принимают решение об идентификационных возможностях доплеровских портретов.

В [22] приводятся сведения о том, что при идентификации пяти различных наземных объектов, по структуре формируемых описанным способом доплеровских портретов (именуемых в [22] спектрами) с учетом известных азимутов объектов, получены оценки правильного решения по идентификации порядка 0,9 или ошибочные решения, не превышающие 10%.

Данный способ более эффективен в плане оценки идентификационных свойств ДП ВО, так как опирается на использование реальных ВО, использует реальные зондирующие сигналы на реальных радиолокационных дальностях, т.е. адекватные условия излучения и приема. Однако даже этот способ не лишен недостатков, а именно:

- азимутальное положение ВО, движущегося в турбулентной атмосфере с траекторными нестабильностями (ТН) полета, определяется неточно, в виду чего в сравнение ДП с его аналогами вносится методическая ошибка, связанная с ошибками измерения курсового угла;

- используется неизменная частота излучения сверхвысокочастотных сигналов и не проверяется индифферентность ДП к изменению несущей частоты, что не позволяет объективно выбирать признаки идентификации объектов и утверждать о степени их информативности.

Задачей изобретения является совершенствование экспериментального способа проверки идентификационных возможностей ДП ВО, обеспечивающее наилучший учет зависимости структуры ДП от курсового угла (азимута), качественное оценивание индифферентности ДП к частоте излучения сигналов и возможность обоснованного выделения из структуры ДП интегральных признаков идентификации объектов.

Для решения поставленной задачи предлагается организовывать экспериментальные исследования с привлечением двух РЛС (РЛС1 и РЛС2) одинакового диапазона. При этом частоты излучения в РЛС1 и РЛС2 должны отличаться и должен выполняться принцип электромагнитной совместимости этих РЛС, выражающийся в отсутствии влияния одной излучающей РЛС на результаты обработки сигналов в другой и наоборот. Электромагнитная совместимость должна выполняться прежде всего при обоюдном излучении РЛС1 и РЛС2 в эфир. Две РЛС предлагается разместить на ровной позиции на удалении d друг от друга порядка 15-30 метров (см. чертеж). Линия пары, привлекаемых к экспериментам РЛС, должна быть перпендикулярна основному направлению наблюдения ВО. Дальность до ВО при экспериментах предлагается выбирать из соображений, чтобы разность Δγ ракурсов ВО из точек расположения РЛС не превышала единиц угловых минут, например, Δγ≤4′. Поскольку для малых значений Δγ справедливо выражение Δγ≈d/R_H≈d/R_г, где R_н и R_г - соответственно наклонная и горизонтальная дальности до ВО, то выбор дальности заказных полетов ВО целесообразно проводить с учетом неравенства R_н≥d/Δγ. Например, при d=30 м и Δγ=4′ следует рекомендовать дальность R_н≥30 км. Регистрацию отраженных сигналов и формирование из них ДП ВО предлагается осуществлять при полетах ВО «на параметре», т.е. при боковых ракурсах, когда курсовой угол близок к π/2. При таком условии угловая скорость поворота ВО относительно линии визирования объекта, обусловленная поворотом планера при строго прямолинейном движении без ТН, максимальна. После обнаружения воздушного объекта РЛС1 и РЛС2 следует провести его отождествление путем сравнения его угловых координат и дальности, а также параметров движения, измеренных в РЛС1 и РЛС2. После отождествления обнаруженного обоими РЛС воздушного объекта, необходимо обеспечить перевод РЛС1 и РЛС2 в режим автоматического сопровождения (АС) по угловым координатам и дальности. Перевод РЛС1 и РЛС2 в режим АС может произойти в разные моменты времени. Поэтому операторы РЛС должны иметь возможность контролировать режимы работы соседней РЛС, для чего необходимо предусмотреть наличие голосовой или иной связи между операторами РЛС. Кроме того, необходимо обеспечить хорошее качество АС, т.е. отсутствие срывов сопровождения в течение первых 1-2 с нахождения в режиме АС. При обмене информацией необходимо оповещать операторов смежной, используемой в экспериментах РЛС об отсутствии срывов, что говорит о приемлемом для экспериментов качестве сопровождения ВО. В одной из РЛС (например, в РЛС1) предлагается размещать аппаратуру регистрации отраженных сигналов в виде ЭВМ со встроенным двухканальным аналого-цифровым формирователем (АЦП).

Запись параметров отраженных сигналов следует проводить только после перехода обоих РЛС в режим АС. Для взаимного контроля и обмена информацией о режимах работы и координатах ВО, как уже указывалось выше, должна быть организована голосовая или иная связь между РЛС1 и РЛС2. После перехода обоих РЛС в режим АС по угловым координатам и дальности оператором включается режим регистрации, заключающейся в оцифровке и записи параметров отраженных сигналов в память ЭВМ. Двухканальность АЦП обеспечивает практически синхронную регистрацию сигналов обоих РЛС. Сигналы предлагается передавать в АЦП ЭВМ по коаксиальному кабелю с выхода предварительных усилителей промежуточной частоты [24]. При этом отраженные сигналы основной РЛС предлагается оцифровывать первым каналом АЦП, а отраженные сигналы второй РЛС - вторым каналом АЦП. Продолжительность регистрации отраженных сигналов должна составлять десятки секунд (например, 20 секунд и более). После приема и сохранения параметров отраженных сигналов в цифровом виде в запоминающем устройстве, аналогично способу, описанному в [22, 23], следует провести их согласованную корреляционно-фильтровую обработку в каждом периоде повторения, т.е. провести свертку принятого отраженного ВО сигнала определенного периода зондирования с оцифрованным комплексно-сопряженным зондирующим сигналом этого же периода зондирования для получения отклика согласованного цифрового фильтра и выделения амплитуды и фазы отраженного сигнала в пике отклика согласованного фильтра. Параметры зондирующего сигнала для согласованной фильтрации извлекаются из начальной области каждого периода повторения, куда просачивается из передающего тракта зондирующий сигнал очередного периода.

Из амплитуд и фаз пиков откликов отраженных одним и тем же ВО сигналов на магнитном носителе, используемом в экспериментах ЭВМ с АЦП, формируют массивы отражений M1 и М2 [23], называемые генеральными массивами данных. Каждый ГМ данных выражает собой комплексную отражательную характеристику ВО, сформированную для соответствующей РЛС (M1 - для РЛС1, М2 - для РЛС2). После выбора аналогично [22] величины ИИС, предлагается извлекать из сформированных генеральных массивов данных M1 и М2 синхронизированные по времени ЧВ параметров отраженных сигналов, соответствующих продолжительности ИИС, проводить с векторами комплексных данных двух синхронизированных по времени записи ЧВ операцию дискретного ПФ [23], формировать в результате такого преобразования два синхронных спектральных комплексных вектора ДП (считая, что они получены в двух разных РЛС в одинаковые моменты времени), выделять огибающие этих векторов, принимать их за доплеровские портреты ВО и сравнивать параметры и структуру ДП между собой. При совпадении структуры полученных в двух разных РЛС ДП следует считать информационные и идентификационные свойства ДП устойчивыми к изменению длины волны λ, а в случае расхождения структур ДП - определять степень несоответствия по специальным критериям, например, по разности центральных частот одинаковых по номеру составляющих в ДП [20, 21], по разности числа составляющих, по разности амплитуд одинаковых по номеру составляющих и т.п.

Далее предлагается последовательно смещать на 1 отсчет извлекаемую ЧВ в пределах соответствующих массивов M1 и М2, и для каждого варианта извлечения ЧВ формировать соответствующие ДП ВО, таким образом получать последовательность ДП, формируемых из сигналов РЛС1 и РЛС2. Всего из каждого ГМ с числом комплексных элементов Х при числе комплексных элементов в ЧВ, равном М, будет извлечено (Х-М+1) смещенных на 1 отсчет частных выборок. А после проведения дискретного ПФ для каждой РЛС (каждого ГМ) будет сформировано (Х-М+1) комплексных спектральных векторов доплеровских портретов ВО. Для каждого комплексного спектрального вектора ДП формируют его огибающую (выделяют последовательность модульных значений комплексных чисел), считая именно ее графическим образом ДП или просто доплеровским портретом. Простейшим способом сравнения ДП разных РЛС является сопоставление структур ДП одинаковых синхронных ИИС. Для этого предлагается пронумеровать все сформированные ДП первой и второй РЛС и сопоставлять их попарно, т.е. сопоставлять ДП одинаковых номеров. Чем больше пар ДП окажутся идентичными, тем лучшими следует признавать информационные и идентификационные возможности ДП. Кроме того, можно в последующем анализировать динамику изменения ДП ВО, полученного из сигналов РЛС1, и аналогичную динамику изменений ДП для РЛС2. Путем анализа динамики изменения структуры с течением времени для обоих РЛС можно будет определять моменты времени, соответствующие увеличению и уменьшению числа составляющих в ДП. Сравнение этих моментов, соответствующих отражательным характеристикам ВО, записанным в массивы M1 и М2, позволяет устанавливать степень идентичности поведения ДП, получаемых в РЛС с различной длиной волны зондирующего сигнала. Для большей доказательности получаемых в ходе обработки экспериментальных результатов целесообразно провести серию подобных экспериментов с различными ВО и при изменении параметров их движения, т.е. на разных курсовых углах.

Как видно из описания, предлагаемый способ экспериментальной проверки информационных и идентификационных возможностей ДП ВО отличается от своего прототипа повышенной достоверностью результатов и абсолютной адекватностью реальным условиям формирования признаков идентификации, заключенным в структуре ДП. Синхронность записи данных и одинаковое по отношению к РЛС1 и РЛС2 поведение ВО позволяет в большей степени доверять результатам такой проверки информационных и идентификационных возможностей ДП ВО. Частоты в привлекаемых РЛС и даже сами РЛС можно менять, формируя тем самым более представительную статистическую базу экспериментальных данных.

Сущность изобретения состоит в том, что согласно теоретическим обоснованиям структура ДП объекта в большей степени определяется размерами объекта, величиной ИИС и угловой скоростью $$\dot{\gamma }$$ поворота объекта, а в меньшей степени - длиной волны излучения [25, 26]. И поскольку угловая скорость поворота планера ВО $$\dot{\gamma }$$ при его полете в турбулентной атмосфере изменяется, причем это изменение нелинейно [27] (является квазимаятниковым), то сопоставлять ДП реальных ВО, полученные в разное время, даже при записях прецизионной аппаратурой, некорректно и нецелесообразно, так как поведение самолетов в турбулентности непредсказуемо и случайно. Следовательно, случайной является и истинная угловая скорость поворота ВО в конкретный момент времени. А ее величина определяет структуру ДП. Поэтому для корректного соотнесения структур ДП, полученных на разных частотах излучения, необходима только синхронная регистрация.

С другой стороны, аналитические выражения для описания структуры ДП говорят о том, что в одинаковом диапазоне длин волн структура ДП при идентичности внешних условий и параметров движения ВО должна быть относительно стабильной, т.е. пригодной для использования ДП в системах распознавания. Это и должно быть подтверждено экспериментально. Но корректным можно признать только такой натурный эксперимент, когда регистрация сигналов, отраженных ВО и принадлежащих разным по частоте зондирования РЛС, проводится синхронно.

Для подтверждения возможности получения одинаковых по структуре ДП разными РЛС следует обратиться к материалам работ [2, 5, 20, 21, 28, 29], в которых приведены выражения для описания ДП и анализируется внутренняя структура формируемых ДП ВО. В частности, в [5, 28] показано, что ДП представляет собой совокупность спектральных составляющих от локальных рассеивающих центров (РЦ) поверхности ВО. Принимаемый локатором отраженный сигнал согласно принципу суперпозиции отражений в зоне Фраунгофера [30-32] может быть записан в виде

где m=1…М - номер РЦ на поверхности ВО; U_m - амплитуда сигнала, отраженного m-м РЦ поверхности ВО; ω=2πf - круговая частота; R_m(f) - наклонная дальность от фазового центра [30] m-го РЦ до РЛС; Ψ_m - фазовый сдвиг, возникающий при отражении волны от фазового центра m-го РЦ; с - скорость распространения электромагнитных волн.

Спектральное разрешение РЦ по частоте в ДП при реализации принципа инверсного синтезирования достигается из-за периодического изменения разности фаз сигналов, отраженных различными РЦ, когда последние движутся. Принятый сигнал после когерентной квадратурной обработки при переходе к локальным эффективным площадям рассеяния σ_m m-x РЦ будет равен

где С - коэффициент, зависящий от усилительных и фильтрующих свойств радиолокационной системы.

Используя разложение функции дальности в ряд и свертку с оконной функцией Дирихле, в результате анализа монохроматического отраженного ВО сигнала с хорошим попарным поперечным разрешением РЦ можно сформировать ДП ВО в виде модуля амплитудно-частотного спектра

где $${\Omega }_m\left(t_0\right)=4\pi R_m^{\text{'}}\left(t_0\right)/\lambda$$ - относительная круговая частота сигнала, отраженного m-м РЦ; $$R_m^{\text{'}}\left(t_0\right)$$ - производная функции наклонной дальности до m-го РЦ по времени; Sinc(x) - арочная функция вида Sin(x)/x; Т_c - величина ИИС.

Выражение (3) показывает, что положение спектральных составляющих в ДП с амплитудами, пропорциональными отражающим способностям соответствующих РЦ, зависит от скорости полета ВО, ракурса локации и пространственного положения РЦ относительно центра сопровождения объекта (ЦСО). Центральные частоты спектральных составляющих РЦ в ДП пропорциональны расстоянию от соответствующего РЦ до плоскости, образованной осью вращения и линией визирования объекта.

Непрерывная функция изменения дальности до РЦ соответствует непрерывному монохроматическому сигналу, который в современных РЛС не используется. В реальных РЛС применяются квазимонохроматические сигналы. Поэтому корректнее проводить аналитические исследования для импульсного зондирования. Так при использовании когерентного сложения при инверсном синтезировании K отраженных импульсов i-й элемент огибающей ДП описывается выражением [28]

где - относительная поперечная дальность m-го РЦ относительно ЦСО, измеренная в единицах поперечного разрешения δR_⊥; $$\dot{\gamma }$$ - угловая скорость изменения ракурса локации ВО.

Основной вклад в структуру ДП вносит член, содержащий . Второй член суммы в фигурных скобках в (4) представляет собой интерференционную составляющую, которой вследствие малости ее амплитуды чаще всего пренебрегают.

Из (4) также видно, что взаимное положение гармоник РЦ в ДП зависит от поперечного удаления этих РЦ от ЦСО, а также от величины ИИС Т_c, угловой скорости $$\dot{\gamma }$$ и длины волны λ. Угловая скорость и величина ИИС для привлекаемых к экспериментам РЛС одинаковы. Поэтому несоответствия в структуре ДП может быть вызвано только несовпадением длин волн.

Поперечное удаление m-го РЦ от ЦСО определяет при известной $$\dot{\gamma }$$ радиальную скорость V_rm этого m-го РЦ относительно радиальной скорости ЦСО (центра масс ВО) $$V_{rm}=R_{\perp m}\dot{\gamma }$$ . Это, в свою очередь, определяет вторичную доплеровскую частоту m-го РЦ

Именно различие во вторичных доплеровских частотах РЦ, т.е. в центральных частотах вторичных доплеровских составляющих РЦ в ДП объекта, позволяет различать ВО между собой по структуре их ДП.

Оценим степень возможного смещения составляющих в ДП за счет изменения длины волны. Различие несущих частот в современных РЛС одинакового диапазона, обеспечивающее их электромагнитную совместимость при небольшом удалении, составляет не более сотен мегагерц. При увеличении несущей частоты излучения ЭМВ на 400 МГЦ длина волны λ типовой РЛС изменяется с 3,7 до 3,5 см. Тогда доплеровская частота РЦ, удаленного от ЦСО в поперечном направлении на 5 метров, изменится согласно (5) с 4,74 Гц до 5,01 Гц. При рекомендуемом для аэродинамических ВО значении ИИС Т_с≈0,5 с разрешающая способность по частоте составляет порядка 2 Гц. Значит, даже такое весомое изменение несущей частоты (400 Гц) не может существенно повлиять на взаимное положение составляющих от РЦ в ДП ВО. Таким образом, формируемые двумя подобными, но несовпадающими по частоте излучения РЛС доплеровские портреты должны совпадать по структуре и их можно сравнивать, что и является целью эксперимента.

Как видно из описания и приведенных примеров предлагаемый способ экспериментальной проверки информационных и идентификационных возможностей ДП ВО отвечает требованиям, которые предъявлены ему задачей изобретения. Способ легко реализуем в полигонных и парковых условиях и может быть рекомендован исследовательским коллективам, изучающим признаки идентификации объектов, формируемые методом инверсного синтезирования апертуры.

Источники информации

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

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

3. Штагер Е.А. Отражение радиоволн от кораблей и других морских объектов. СПб.: ВВМ, 2004. 418 с.

4. Митрофанов Д.Г., Сафонов А.В., Прохоркин А.Г. Моделирование задачи распознавания целей по их радиолокационным изображениям нейросетевым способом. Статья. М.: Радиотехника, 2007. № 2. с. 3-9.

5. Митрофанов Д.Г. Комплексный адаптивный метод построения радиолокационных изображений в системах управления двойного назначения // Известия РАН. Теория и системы управления, 2006. № 1. с. 101-118.

6. Радиолокационные системы. Справочник. Основы построения и теория / Под ред. Я.Д. Ширмана. М., Радиотехника, 2007. 510 с.

7. Митрофанов Д.Г. Развитие методов формирования доплеровских портретов и двумерных радиолокационных изображений воздушных целей // Оборонная техника, 1998. №10-11. с. 75-81.

8. Митрофанов Д.Г. Синтез радиолокационного изображения цели методом математического моделирования ее доплеровских портретов. Киев: Радиоэлектроника. Известия вузов, 1994. Т. 37. № 3. с. 72-76.

9. Киселев В.К. Физическое моделирование электромагнитного рассеяния в квазиоптических направляющих структурах терагерцевого диапазона. Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова. НАН Украины. Интернет-статья. http://dspace.nbuv.gov.ua/bitstream/handle/123456789/10761/7%20-%20Kisilev.pdf?sequence=1

10. Майзельс Е.Н., Торгованов В.А. Измерение характеристик рассеяния радиолокационных целей / Под ред. М.А. Колосова. М., Сов. радио, 1972. 232 с.

11. Мицмахер М.Ю., Торгованов В.А. Безэховые камеры СВЧ. М., Радио и связь, 1982. 128 с.

12. Патент РФ № 2488135. G01S 13/10. Способ измерения эффективной поверхности рассеяния крупногабаритных массивных объектов в безэховой камере. Маюнов А.Т., Акиньшина Г.Н., Авдеев А.Ю. и др. Опубл. 20.07.2013. Заявка № 2011152402/07 от 21.12.2011. http://www.findpatent.ru/patent/248/2488135.html -

13. Митрофанов Д.Г. Методика экспериментального синтеза двумерных радиолокационных изображений. Киев: Радиоэлектроника. Известия вузов, 1996. Т. 39. №1. с. 71-75.

14. Митрофанов Д.Г. Влияние амплитудного и фазового шума на качество формирования радиолокационного изображения // Радиотехника и электроника, 1995. Т. 40. № 4. с. 586-590.

15. Методы исследования радиолокационных характеристик объектов. Монография. Главы 7-8. / Под ред. С.В. Ягольникова. М., Радиотехника, 2012. 296 с.

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

17. Безгузиков В.П., Бондарев Н.Н., Чихонадских А.П. Получение радиоизображений объектов с помощью разнесенной фазометрической системы // Приборы и техника эксперимента, 1991. № 5. с. 124-127. (аналог).

18. Марпл мл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения. М., Мир, 1990. 584 с.

19. Бендат Дж., Пирсол А. Применение корреляционного и спектрального анализа. Пер с англ. М., Мир, 1983. 312 с.

20. Патент РФ № 2066059. МПК⁶ G01S 13/89. Способ построения двумерного радиолокационного изображения в РЛС сопровождения прямолинейно движущейся цели / Митрофанов Д.Г. БИ № 24 1996 г.

21. Патент РФ № 2099742. МПК⁶ G01S 13/89. Триангуляционный способ построения двумерного радиолокационного изображения цели в РЛС сопровождения с инверсным синтезированием апертуры / Митрофанов Д.Г. БИ № 35 1997 г.

22. http://radiolocate.com/vibor_informativnikh_priznakov.html (прототип).

23. Патент РФ № 2410717. G01S 13/90. Способ внешнего радиолокационного выявления факта наличия траекторных нестабильностей полета воздушного объекта с малым курсовым углом перемещения / Митрофанов Д.Г., Прохоркин А.Г., Бортовик В.В., Перехожев В.А. и др. Опубл. 27.01.2011. БИ № 3.

24. Митрофанов Д.Г. Экспериментальные исследования параметров траекторных нестабильностей полета воздушных объектов. Сборник докладов XV международной конференции «RLNC-2009». Воронеж: НПФ «САКВОЕЕ» ООО. с. 1536-1547.

25. Митрофанов Д.Г., Прохоркин А.Г., Нефедов С.И. Измерение поперечных размеров летательных аппаратов по частотной протяженности доплеровского портрета // Радиотехника, 2008. №1. с. 84-90.

26. Митрофанов Д.Г. Построение двумерного изображения объекта с использованием многочастотного зондирующего сигнала// Измерительная техника, 2001. № 2. с. 57-62.

27. Доброленский Ю.П. Динамика полета в неспокойной атмосфере. М., Машиностроение, 1969. 225 с.

28. Митрофанов Д.Г. Метод построения радиолокационных изображений аэродинамических летательных аппаратов. М., Полет, 2006. № 11. с. 52-60.

29. Митрофанов Д.Г. Формирование двумерного радиолокационного изображения цели с траекторными нестабильностями полета // Радиотехника и электроника. РАН, 2002. № 7. с. 852-859.

30. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели / Под ред. О.Н. Леонтьевского. М., Сов. радио, 1975. 238 с.

31. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. М., Сов. радио, 1973. 496 с.

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

Изобретение относится к радиолокации и предназначено для проверки идентификационных возможностей векторных одночастотных признаков распознавания объектов, к которым, в частности, относятся и доплеровские портреты воздушных объектов (ДП ВО). Достигаемый технический результат - повышение качества проверки идентификационных возможностей ДП ВО. Указанный результат обеспечивается привлечением к натурным экспериментам с реальными ВО дополнительной радиолокационной станции (РЛС), несущая частота которой отличается от частоты основной, используемой в экспериментах РЛС. Обе РЛС переводят в режим автоматического сопровождения по угловым координатам и дальности, и после отождествления отметок от ВО синхронно регистрируют отраженные ВО сигналы с помощью двухканального аналого-цифрового преобразователя, а затем сохраняют их в запоминающем устройстве в виде генеральных массивов амплитудно-фазовых отражений. Из генеральных массивов с параметрами отраженных сигналов выделяют синхронные и равные по числу элементов (длительности соответствующего интервала инверсного синтезирования) частные выборки отражений, из которых методом дискретного преобразования Фурье формируют комплексные спектральные вектора доплеровских портретов ВО и выделяют их огибающие, позволяющие сравнивать динамику эволюций структуры ДП, полученных в разных по частоте РЛС. 1 ил.

Способ экспериментальной проверки информационных и идентификационных возможностей доплеровских портретов воздушных объектов, заключающийся в том, что в направлении воздушного объекта с помощью основной радиолокационной станции с диапазоном волн от единиц до десятков сантиметров излучают сверхвысокочастотные импульсные сигналы одинаковой частоты, а затем принимают отраженные объектом сигналы, усиливают их на высокой частоте, проводят их частотную фильтрацию, переводят на промежуточную частоту, проводят основное усиление на промежуточной частоте, проводят внутрипериодную согласованную корреляционно-фильтровую обработку принятых сигналов сверткой с зондирующими сигналами для выделения пиков откликов отраженных объектом сигналов, в точках пиков откликов отраженных сигналов фиксируют их амплитуду, фазу и точное время приема, записывают эти параметры для всех по очереди периодов повторения на магнитный носитель в виде генерального массива данных, содержащего амплитуды, фазы и времена приема сигналов, выбирают величину интервала инверсного синтезирования Т_с на основе необходимого спектрального разрешения по формуле Т_с=1/δf_p, где δf_p - необходимая разрешающая способность в частотной области, выделяют из генерального массива данных об амплитудах, фазах и временах приема частную выборку, соответствующую исследуемому интервалу инверсного синтезирования, проводят с данными частной выборки комплексных отражений от воздушного объекта операцию дискретного преобразования Фурье и формируют в результате комплексный спектральный массив, выражающий комплексный вектор доплеровского портрета воздушного объекта, последовательно сдвигая во времени в пределах интервала регистрации данных в генеральный массив выбранный по продолжительности интервал инверсного синтезирования, формируют для каждого из интервалов инверсного синтезирования методом дискретного преобразования Фурье соответствующий комплексный вектор доплеровского портрета, записывают сформированные комплексные вектора доплеровских портретов в запоминающее устройство, выделяют их огибающие, называя эти огибающие доплеровскими портретами воздушного объекта, передают доплеровские портреты в цифровом виде в устройство анализа, в котором сравнивают полученные доплеровские портреты с их аналогами, сформированными заранее, по результатам сравнения определяют стабильность и информационные свойства доплеровских портретов, соответствующих определенному воздушному объекту с определенным курсовым углом или определенным азимутальным положением, на основе чего принимают решение об идентификационных возможностях доплеровских портретов воздушных объектов, отличающийся тем, что одновременно с использованием основной радиолокационной станции дополнительно аналогичным образом используют вторую радиолокационную станцию такого же диапазона, несущая частота сигналов которой отличается от несущей частоты основной радиолокационной станции на единицы-сотни мегагерц, проверяют, чтобы две привлекаемые к экспериментам радиолокационные станции не влияли негативным образом друг на друга при одновременном функционировании и излучении в эфир, располагают вторую радиолокационную станцию на удалении 15-30 метров от основной на линии, перпендикулярной основному направлению наблюдения воздушных объектов, наклонную дальность R_н заказных полетов воздушных объектов для экспериментов выбирают из неравенства R_н≥d/Δγ, где Δγ=4' - наибольшая из допустимых разность курсовых углов воздушного объекта из точек расположения двух используемых радиолокационных станций, d - расстояние между радиолокационными станциями, для синхронной регистрации двумя радиолокационными станциями отраженных воздушным объектом сигналов размещают в одной из радиолокационных станций аппаратуру регистрации отраженных сигналов в виде электронно-вычислительной машины со встроенным в нее двухканальным аналого-цифровым преобразователем, устанавливают и обеспечивают связь между радиолокационными станциями для взаимного контроля о выбранном для сопровождения и исследования воздушном объекте, после обнаружения и отождествления воздушного объекта по координатам его расположения и движения переводят обе радиолокационные станции в режим автоматического сопровождения по угловым координатам и дальности, по изменению координат воздушного объекта с течением времени измеряют его курсовой угол относительно радиолокационных станций, убедившись в устойчивости автоматического сопровождения воздушного объекта, начинают синхронную регистрацию параметров отраженных сигналов в запоминающее устройство электронно-вычислительной машины, для чего отраженные воздушным объектом сигналы на промежуточной частоте из основной и дополнительной радиолокационных станций с одинаковых точек приемного тракта направляют по коаксиальным кабелям на соответствующие входы двухканального аналого-цифрового преобразователя, переводят отраженные воздушным объектом сигналы в цифровой вид с помощью двухканального аналого-цифрового преобразователя, причем отраженные сигналы основной радиолокационной станции оцифровывают первым каналом двухканального аналого-цифрового преобразователя, а отраженные сигналы второй радиолокационной станции - вторым каналом двухканального аналого-цифрового преобразователя, общее время непрерывной регистрации отраженных сигналов устанавливают не менее 20 секунд, согласованную обработку принимаемых сигналов осуществляют в цифровом виде методом внутрипериодной свертки с комплексно-сопряженным зондирующим сигналом, просачивающимся в приемный тракт радиолокационной станции в начале каждого периода повторения, после выделения значений амплитуд и фаз в местах пиков откликов отраженных сигналов формируют генеральный массив данных об амплитуде, фазе и времени приема сигналов отдельно для каждой радиолокационной станции, последовательно выделяют смещаемые на 1 отсчет в пределах генерального массива данных частные выборки с комплексными амплитудно-фазовыми параметрами отраженных сигналов, соответствующие установленному интервалу инверсного синтезирования, т.е. выделяют частные выборки одинаковыми по положению, длительности, а также по числу элементов из обоих генеральных массивов данных, причем нумеруют частные выборки, последовательно выделяемые из каждого генерального массива данных, получают для каждого генерального массива (Х-М+1) частных выборок, где X - общее число комплексных элементов в генеральном массиве, М - число комплексных элементов в частной выборке, из каждой частной выборки обоих генеральных массивов формируют методом дискретного преобразования Фурье комплексный спектральный вектор доплеровского портрета воздушного объекта, методом выделения огибающих из комплексных спектральных векторов доплеровских портретов формируют непосредственно доплеровские портреты воздушного объекта, сравнивают параметры структур доплеровских портретов, полученных для одинаковых по номеру частных выборок, выделенных из разных генеральных массивов данных, по результатам последовательного попарного сравнения структур доплеровских портретов более достоверно определяют идентификационные возможности доплеровских портретов.