Способ распознавания радиолокационных объектов Российский патент 2018 года по МПК G01S13/52 G01S13/78 

Предлагаемые изобретения относятся к области радиолокации и могут быть использованы для распознавания радиолокационных объектов.

Известен способ распознавания радиолокационных объектов по патенту №2312370. В известном способе распознавание происходит за счет сравнения коэффициента, характеризующего степень корреляции флуктуации амплитуд с пороговым значением, для расчета которого используется информация о дальности до объекта, составляющие вектора скорости объекта и направление движения объекта относительно РЛС. Также при расчете порогового значения используется оценочное значение ширины амплитудного спектра отраженного сигнала, которое получается на основе априорных данных о классах объектов и измеренной с помощью РЛС информации.

Недостатком способа является невозможность использования информации об энергетических параметрах принятого сигнала, т.к. при вычислении коэффициента корреляции подобная информация теряется безвозвратно.

Известно устройство распознавания радиолокационных объектов по патенту №2312370, содержащее радиолокационную станцию (РЛС) с двумя выходами, вычислитель, соединенный с запоминающим устройством (ЗУ) и индикатор, на который поступает информация с выхода вычислителя.

Первый и второй выходы РЛС соединены с первым и вторым входом вычислителя соответственно, второй выход вычислителя соединен со входом ЗУ, выход которого соединен с третьим входом вычислителя, а первый выход вычислителя соединен со входом индикатора.

Устройство работает следующим образом. С сигнального выхода РЛС на первый вход вычислителя поступают амплитуды принятых РЛС импульсов, а с координатного выхода РЛС на второй вход вычислителя поступают значения дальности и скоростей: радиальной скорости и модуля вектора путевой скорости. В вычислителе осуществляется расчет величины, характеризующей степень корреляции флуктуации амплитуд принятой РЛС пачки импульсов и оценивается угол направления движения объекта, значение которого поступает со второго выхода вычислителя на вход ЗУ. В зависимости от значения направления движения объекта с выхода ЗУ на третий вход вычислителя поступают соответствующие эталоны ширины спектра амплитудных флуктуации, а также эталоны средней геометрической протяженности распознаваемых типов объектов.

Далее в вычислителе производится расчет пороговых величин и принимается решение о типе радиолокационного объекта.

С первого выхода вычислителя решение о типе объекта передают для отображения на вход индикатора.

Недостатком известного устройства по патенту №2312370 является отсутствие учета энергетических параметров принимаемых сигналов, что негативно сказывается на потенциально достижимой вероятности правильного распознавания.

Известно устройство распознавания радиолокационных объектов по патенту №2324201, содержащее блок обработки радиолокационной информации (БО), формирователь доплеровских портретов (ФДП), классификатор первого уровня (КПУ), классификатор второго уровня (КВУ), блок эталонных доплеровских портретов (ЭДП), вычислитель вертикальной составляющей скорости (ВСС), вычислитель трассовой скорости (ВТС) и параметрический классификатор (ПК).

Первый выход БО соединен со входом ФДП, выход которого соединен с первым входом КПУ, а второй вход КПУ соединен с выходом ЭДП. Первый, второй и третий выход КПУ соединен с первым, вторым и третьим входами КВУ соответственно, четвертый вход КВУ соединен с выходом ПК, второй вход ПК и вход ВСС соединены со вторым выходом БО, третий выход БО соединен со вторым входом ВТС, первый вход которого соединен с выходом ВСС. Первый вход ПК соединен с выходом ВТС.

Устройство работает следующим образом. При обработке сигнала, полученного с приемника РЛС, БО измеряет частоту Доплера и амплитуду сигнала, а также горизонтальные составляющие скорости объекта по координатам x и y, его высоту.

ФДП формирует доплеровский портрет (ДП) объекта на основе значения частоты Доплера и амплитуды сигнала и передает его (ДП) на первый вход КПУ, а на его второй вход поступает информация с блока ЭДП об эталонных ДП. В КПУ поступающие данные сравнивают по трем признакам: коэффициент взаимной корреляции между сформированным ДП и эталонными ДП, геометрическая близость между ними и среднее значение нормированной амплитуды ДП объекта в заданном частотном диапазоне.

Данные по высоте объекта со второго выхода БО поступают на вход вычислителя ВСС и второй вход ПК. Вычислитель ВСС определяет значение вертикальной составляющей скорости, которое подают на первый вход ВТС, на второй вход которого с третьего выхода БО поступают значения горизонтальных составляющих скоростей.

В ВТС вычисляют значение трассовой скорости объекта, которое подают на первый вход ПК, где осуществляют предварительную параметрическую классификацию объекта по априорно известным параметрам движения распознаваемых объектов.

Результаты, полученные в КПУ и ПК, поступают на КВУ, где принимают решение о принадлежности объекта к определенному классу.

Недостатком устройства по патенту №2324201 является то, что при сильной зависимости ДП от направления движения объекта относительно РЛС, возникает необходимость иметь весьма обширную базу априорной информации (эталонных ДП) для разных проекций объектов относительно РЛС. Также построение ДП требует высоких разрешающих способностей по угловым координатам и по дальности. Последнее подразумевает использование сверхширокополосных сигналов (СШПС), обладающих малой дальностью действия.

Наиболее близким способом распознавания радиолокационных объектов, является способ, описанный в патенте №2317568.

Способ заключается в следующем. Усредненные при накоплении амплитуды отраженного сигнала (величина которых напрямую зависит от размера объекта и его ЭПР) сравнивают с порогами распознавания, определенными заранее. Принятые амплитуды восстанавливают от нежелательной модуляции диаграммой направленности антенны (ДНА) и нормируют к определенной дальности.

Формируют угловой пакет, в котором из совокупности принятых амплитуд выбирают максимальную - A_{max k} и запоминают угловые положения соответствующего положения луча ДНА (ε_{max k} - по углу места и β_{max k} - по азимуту). Далее определяют амплитуду принятого импульса, которую он имел бы в направлении на объект в максимуме луча диаграммы направленности антенны, т.е. определяют восстановленное от модуляции ДНА значение амплитуды по формуле:

A_0k - восстановленная амплитуда;

k - номер обращения к объекту;

ε_k, β_k - угол места и азимут, измеренные при k-ом обращении к объекту;

θ_ε, θ_β - ширина луча ДНА по уровню половинной мощности по углу места и азимуту соответственно;

α - аппроксимирующий коэффициент.

Используя информацию о восстановленном значении амплитуды и измеренной дальности до объекта, проводят нормировку амплитуды к фиксированному значению дальности, на которой для объекта с заданной ЭПР известно отношение сигнал/шум (ОСШ).

Распознавание типа объекта проводится путем сравнения среднего значения амплитуды A_kcp с заданными порогами распознавания U_p1 и U_p2 в виде:

0<A_kcp≤U_p1 - объект принадлежит к типу "малоразмерный";

U_p1<A_kcp≤U_p2 - объект принадлежит к типу "среднеразмерный";

A_kcp>U_p2 - объект принадлежит к типу "крупноразмерный".

Наиболее близким к заявляемому является устройство по патенту №2317568, содержащее (фиг. 1) РЛС с тремя выходами (сигнальным и двумя координатными), ЗУ, вычислитель, индикатор.

Первый, второй и третий выходы РЛС соединены с первым, четвертым и пятым входами вычислителя соответственно, первый выход ЗУ соединен со вторым входом вычислителя, второй выход ЗУ соединен с третьим входом вычислителя, третий выход ЗУ соединен с шестым входом вычислителя, второй выход вычислителя соединен со входом ЗУ, а первый выход вычислителя соединен со входом индикатора.

Устройство-прототип работает следующим образом. С первого (сигнального) выхода РЛС на первый вход вычислителя поступают значения амплитуд принятых импульсов. Со второго выхода РЛС на четвертый вход вычислителя поступает информация о дальности до объекта R и его угловых координатах (ε_k - по углу места и β_k - по азимуту). С третьего выхода РЛС на пятый вход вычислителя передаются угловые координаты положения лучей ДНА при которых происходит обнаружение объекта. С третьего выхода ЗУ на шестой вход вычислителя передают предыдущее усредненное значение амплитуд, соответствующее (k-1)-му обращению к объекту, со второго выхода указанного вычислителя на вход ЗУ поступает текущее среднее значение амплитуды, соответствующее k-му обращению к объекту (k=1, 2, 3…).

Со второго выхода ЗУ на третий вход вычислителя передают значения констант: ширина луча ДНА по уровню половинной мощности по углу места и азимуту, аппроксимирующий коэффициент. Из сформированного пакета (совокупности принятых импульсов) отбирают максимальное значение амплитуды и соответствующее ее обнаружению положение луча ДНА. На основе этой информации в вычислителе восстанавливают амплитуду по формуле (1).

Также со второго выхода ЗУ на третий вход вычислителя поступает значение заданной фиксированной дальности, определяемой как дальность, на которой для объекта с заданной эталонной ЭПР заранее известна величина отношения сигнал/шум по мощности. В вычислителе проводят нормировку амплитуд по дальности.

С первого выхода ЗУ на второй вход вычислителя поступают значения порогов распознавания U_p1 и U_p2, после чего в вычислителе проводится распознавание типа объекта по правилу:

0<A_kcp≤U_p1 - объект принадлежит к типу "малоразмерный";

U_p1<A_kcp≤U_p2 - объект принадлежит к типу "среднеразмерный";

A_kcp>U_p2 - объект принадлежит к типу "крупноразмерный".

На индикаторе высвечивается принятое решение о принадлежности цели к тому или иному типу объектов.

Недостатком способа, принятого за прототип и устройства его реализующего является то, что при сильной зависимости амплитуды отраженного сигнала от ракурса цели (флуктуации амплитуд) затрудняется распознавание радиолокационных объектов по критерию «размер объекта».

Таким образом, решаемой технической проблемой (техническим результатом) предлагаемого способа и устройства для его реализации, является повышение вероятностей правильного распознавания за счет использования дополнительного признака распознавания - коэффициента корреляции между принимаемыми отсчетами амплитуд отраженного сигнала и учета статистической связи двух признаков.

Технический результат (решаемая техническая проблема) достигается тем, что в известном способе распознавания радиолокационных объектов, включающем излучение зондирующих импульсов в процессе обзора пространства с помощью РЛС (радиолокационная станция), прием сигналов, отраженных от распознаваемого объекта, измерение амплитуд принятых сигналов, определение дальности до объекта, оценку угловых положений объекта (азимут и угол места), формирование углового пакета импульсов, устранение искажений амплитуды диаграммой направленности антенны (восстановление амплитуд), согласно изобретению, распознавание проводится по паре принятых в разные моменты времени значений амплитуд по следующему решающему правилу:

А₁ и А₂ - значения принятых амплитуд;

значения коэффициентов ΔS₁ и ΔS₂ определяются следующим образом:

Значение коэффициента Z_i выбираются по следующему правилу:

где D_i - дисперсия амплитуд, определяемая величиной средней ЭПР (эффективная поверхность рассеяния) цели i-го класса;

R_i - заданный (эталонный) коэффициент корреляции для i-го класса;

K₁, K₂ и K₃ - коэффициенты, определенные дисперсиями амплитуд (которые связаны с заданными (эталонными) значениями средних ЭПР цели i-го класса) и коэффициентами корреляции i-го класса следующим выражением:

;

Дисперсии амплитуд D_i и вычисляются по формуле:

,

где q_i - отношение сигнал/шум цели i-го класса;

q₀ - пороговое значение отношения сигнал/шум;

σ₀ - значение ЭПР при котором на дальности R₀ будет значение отношение сигнал/шум q₀;

σ_i - заданное (эталонное) среднее значение ЭПР i-го класса;

R₀ - пороговая дальность, на которой цель, имеющая ЭПР σ₀ имеет сигнал с отношением сигнал/шум q₀;

R - текущее значение дальности до цели;

пороговые значения U₁ и U₂ определены по формулам:

;

.

Технический результат (решаемая техническая проблема) достигается также тем, что в известное устройство, содержащее РЛС, вычислитель, ЗУ и индикатор, введены, согласно изобретению, дополнительный выход РЛС, соединенный с ЗУ, второй вычислитель, второй вход которого соединен с выходом первого вычислителя, первый вход второго вычислителя соединен с первым выходом ЗУ, а третий вход второго вычислителя соединен с третьим выходом ЗУ. Выход второго вычислителя подключен к входу индикатора.

Суть заявляемых технических решений состоит в следующем.

Возможность использования коэффициента корреляции как признака распознавания основано на том, что сигнал, отраженный от радиолокационных объектов разных размеров, обладает разным характером флуктуаций [Ширман Я.Д., Горшков С.А., Лещенко С.П., Братченко Г.Д., Орленко В.М. Методы радиолокационного распознавания и их моделирование. - Радиолокация и радиометрия, 2000, №3. - С.5-64.].

Использование дополнительного признака распознавания (расширение словаря признаков) при неизменном объеме алфавита классов приводит к увеличению вероятности правильного распознавания [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]. При этом, в данном случае, не происходит значительного усложнения локационной системы, т.к. добавление коэффициента корреляции в качестве признака распознавания оказывает влияние лишь на математическое обеспечение, реализованное на вычислителях, что в условиях современных вычислительных мощностей не является проблемой. При этом предлагаемые способ распознавания и устройство не требуют использования сложных сигналов (многочастотных, сверхширокополосных и т.д.), достаточно излучать простой импульсный сигнал при каждом шаге сканирования пространства. Для вынесения решения о принадлежности цели к тому или иному классу достаточно двух принятых в разные моменты времени импульсов (двух значений принятых амплитуд). Это является преимуществом изобретения.

Для вывода решающего правила используется двумерная плотность распределения вероятности, учитывающая статистические связи между признаками распознавания. Использование решающего правила, полученного на основе известного закона распределения вероятности позволяет обеспечить выигрыш в достоверности принимаемых решений [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].

На этом основано изобретение.

Предлагаемое устройство распознавания радиолокационных объектов, реализующее заявленный способ, содержит (фиг. 2): РЛС 1, вычислитель 2, вычислитель 3, ЗУ 4 и индикатор 5, причем первый выход РЛС 1 соединен с первым входом вычислителя 2, второй выход РЛС 1 соединен с четвертым входом вычислителя 2, третий выход РЛС 1 соединен со вторым входом вычислителя 2, а четвертый выход РЛС 1 соединен со входом ЗУ 4, второй выход которого соединен с третьим входом вычислителя 2, первый выход ЗУ 4 соединен с первым входом вычислителя 3, третий выход ЗУ 4 соединен с третьим входом вычислителя 3, второй вход которого соединен с выходом вычислителя 1, а выход вычислителя 3 подключен к входу индикатора 5.

Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом. С первого сигнального выхода РЛС 1 на первый вход вычислителя 2 поступают значения амплитуд принятых РЛС 1 импульсов. Со второго выхода РЛС 1 на четвертый вход вычислителя 2 поступает информация о дальности до объекта R и его угловых координатах (ε_k - по углу места и β_k - по азимуту). С третьего выхода РЛС 1 на второй вход вычислителя 2 поступают угловые координаты положения луча ДНА при которых произошло обнаружение объекта. С четвертого выхода РЛС 1 на вход ЗУ 4 поступает значение временного разноса принимаемых импульсов t_k, определяемое шагом сканирования луча ДНА. Со второго выхода ЗУ 4 на третий вход вычислителя 2 поступают значения ширины луча диаграммы направленности антенны по уровню половинной мощности по углу места θ_ε и азимуту θ_β.

Далее в вычислителе 2 по сформированному угловому пакету определяют восстановленные от модуляции ДНА значения амплитуд по формуле (1), которые поступают с выхода вычислителя 2 на второй вход вычислителя 3. С первого выхода ЗУ 4 на первый вход вычислителя 3 поступают эталонные значения коэффициентов корреляции амплитуд R₁, R₂ и R₃, определяемые величиной временного разноса принимаемых амплитуд 4. С третьего выхода ЗУ 4 на третий вход вычислителя 3 поступают эталонные значения средних ЭПР объектов σ₁, σ₂ и σ₃. Далее вычислитель 3 производит расчет дисперсий D_i, связанных с оценочным значением ОСШ принимаемого сигнала по формуле:

,

где q_i - ОСШ соответствующее сигналу i-го класса;

q₀ - пороговое значение отношения сигнал/шум;

σ₀ - значение ЭПР при котором на дальности R₀ будет значение отношение сигнал/шум q₀;

σ_i - эталонное среднее значение ЭПР i-го класса;

R₀ - пороговая дальность, на которой цель, имеющая ЭПР σ₀ имеет сигнал с отношением сигнал/шум q₀;

R - текущее значение дальности до цели.

Далее вычислитель 3 проводит расчет вспомогательных коэффициентов x_i по формуле:

где R_i - эталонный коэффициент корреляции для i-го класса;

и определяет значения величин Z_i по правилу:

где А₁ и А₂ - пара значений принятых и восстановленных амплитуд.

Затем в вычислителе 3 проводится расчет коэффициентов K_i по формуле:

;

и коэффициентов ΔS₁, ΔS₂ по формулам:

; ,

после чего рассчитывают значения суммы квадратов восстановленных амплитуд принятых импульсов S и значения порогов распознавания:

.

Вычислитель 3 выносит решение о принадлежности объекта к тому или иному классу в соответствии с решающим правилом:

С выхода вычислителя 3 принятое решение передают для отображения на вход индикатора 5.

Таким образом достигается технический результат.

Изобретения относятся к области радиолокации и могут быть использованы для распознавания радиолокационных объектов. Изобретения могут найти применение в радиолокационных станциях кругового обзора (РЛС КО). Достигаемый технический результат - повышение вероятностей правильного распознавания радиолокационных объектов и устойчивости этих значений. Результат достигается за счет применения порогов распознавания, учитывающих дополнительный признак распознавания - коэффициент корреляции между отсчетами эхосигнала. При этом для вывода пороговых значений используется двумерная плотность распределения вероятности, учитывающая статистические связи между признаками распознавания и эталонные значения ЭПР целей. Также используются эталонные значения коэффициентов корреляции, которые зависят от временного разноса отсчетов амплитуд, информация о котором поступает с дополнительно введенного четвертого выхода РЛС. 2 ил.

Способ распознавания радиолокационных объектов, включающий излучение зондирующих импульсов в процессе обзора пространства с помощью РЛС (радиолокационная станция), прием сигналов, отраженных от распознаваемого объекта, измерение амплитуд принятых сигналов, определение дальности до объекта, оценку угловых положений объекта (азимут и угол места), формирование углового пакета импульсов, устранение искажений амплитуды диаграммой направленности антенны (восстановление амплитуд) отличающийся тем, что распознавание проводится по паре принятых в разные моменты времени значений амплитуд по следующему решающему правилу:

где A₁ и A₂ - значения принятых амплитуд;

значения коэффициентов ΔS₁ и ΔS₂ определяются следующим образом:

значение коэффициента Z_i, выбирается по следующему правилу:

где D_i - дисперсия амплитуд, определяемая величиной средней ЭПР (эффективная поверхность рассеяния) цели i-го класса;

R_i - заданный (эталонный) коэффициент корреляции для i-го класса;

K₁, K₂ и K₃ - коэффициенты, определенные дисперсиями амплитуд (которые связаны с заданными (эталонными) значениями средних ЭПР цели i-го класса) и коэффициентами корреляции i-го класса следующим выражением:

дисперсии амплитуд Д_i и вычисляются по формуле:

где q_i - отношение сигнал/шум цели i-го класса;

q₀ - пороговое значение отношения сигнал/шум;

σ₀ - значение ЭПР, при котором на дальности R₀ будет значение отношения сигнал/шум q₀;

σ_i - заданное (эталонное) среднее значение ЭПР i-го класса;

R₀ - пороговая дальность, на которой цель, имеющая ЭПР σ₀, имеет сигнал с отношением сигнал/шум q₀;

R - текущее значение дальности до цели;

пороговые значения U₁ и U₂ определены по формулам: