СПОСОБ КЛАССИФИКАЦИИ И БЛАНКИРОВАНИЯ ДИСКРЕТНЫХ ПОМЕХ Российский патент 2020 года по МПК G01S15/52 

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике, в частности, к цифровой обработке радиолокационных сигналов.

Известен способ бланкирования сигналов дискретных мешающих отражений, основанный на формировании, так называемого «частотного порога», фактически скоростного порога, не превышение которого классифицируется, как признак сигнала отраженного от мешающего точечного объекта с малой радиальной скоростью в данном элементе дальности [1]. Поэтому данный сигнал бланкируется, снижая поток ложных отметок на выходе приемного тракта РЛС. Основным недостатком данного способа является его низкая эффективность, обусловленная необходимостью использования для однозначного измерения скорости вобулированной пачки с ограниченным числом импульсов. Кроме того попытка выставления максимально высокого скоростного порога для повышения эффективности данного способа приводит к росту вероятности бланкирования полезных целей с малой радиальной скоростью.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является двухчастотный способ классификации и бланкирования дискретных коррелированных помех. Данный способ строится на обработке отраженных сигналов на каждой несущей частоте РЛС в виде двух выборок наблюдения в каждом элементе дальности и включает в себя формирование оценок межпериодной доплеровской разности фазы с последующим их вычитанием для однозначного измерения скорости обнаруживаемого дискретного объекта [2]. Полученная таким образом оценка межчастотной межпериодной разности фазы сравнивается с фазовым порогом (фактически со скоростным порогом), на основании чего принимается решение о бланкировании отраженных сигналов от медленно движущихся мешающих точечных объектов, если этот порог оказался не превышен. Хотя данный способ позволяет осуществлять более эффективную классификацию сигналов благодаря более высокой точности оценки межпериодной разности фазы на каждой несущей частоте РЛС, из-за отсутствия вобуляции периодов повторения с использованием большего числа импульсов, тем не менее, и данному способу свойственен недостаток бланкирования полезных целей с малыми радиальными скоростями.

Известен способ [3], в котором для исключения бланкирования полезных сигналов от целей с малыми радиальными скоростями для принятых на двух несущих частотах сигналов осуществляют как формирование оценок межчастотной межпериодной доплеровской разности фазы для однозначного измерения скорости объектов в каждом элементе дальности и сравнение этой оценки с порогом, при не превышении которого обнаруженный сигнал классифицируется по скоростному признаку как мешающий, так и формирование модуля межчастотного коэффициента корреляции, который используется для оценки продольного размера классифицируемых объектов и который при не превышении порога классифицируется как мешающий сигнал по корреляционному признаку, при этом скоростному и корреляционному признаку для мешающих отражений ставят в соответствие логические единицы, совпадение которых фиксируют в каждом элементе дальности с помощью логической функции «И», на основании чего принимается решение о бланкировании отраженного сигнала в данном элементе дальности. Хотя данный способ позволяет, используя скоростной и корреляционный признаки повысить эффективность бланкирования мешающих отражений, однако не учет мощности отраженного сигнала может привести к ошибочной классификации, когда могут быть приняты за мешающие отражения сигналы от цели с малой радиальной скоростью и большого размера, например, авиалайнер летящий с ракурсом по отношению к РЛС.

С целью исключения бланкирования полезных сигналов от целей с малыми радиальными скоростями и большим продольным размером предлагается способ, который включает в себя, как и в прототипе, формирование оценок межчастотной межпериодной доплеровской разности фазы для однозначного измерения скорости объектов на основе двух выборок наблюдений, принятых на двух несущих частотах и сравнение этой оценки с порогом в каждом элементе дальности с присвоением при не превышении этого порога в конкретном элементе дальности признака сигнала мешающего отражения, также формирование модуля межчастотного коэффициента корреляции, который используется для оценки продольного размера классифицируемых объектов и который, не превысив порог классифицируется как мешающий сигнал по корреляционному признаку, отличающийся тем, что с целью исключения бланкирования полезных сигналов от целей с большой эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР) формируется оценка мощности принимаемых сигналов, которая сравнивается с порогом в каждом элементе дальности с присвоением при не превышении этого порога в конкретном элементе дальности признака сигнала мешающего отражения, при этом после объединения корреляционного, скоростного ЭПР признаков мешающего сигнала, при их совпадении принимается решение о бланкировании отраженного сигнала в данном элементе дальности.

Порог ЭПР признака изменяется по дистанции для каждого элемента дальности в соответствии с уравнением дальности радиолокации для выбранного ЭПР мешающего отражения и конкретных параметров РЛС.

На данный порог подается усредняемый сигнал в каждом элементе дальности как по пачке сигналов каждом частотном канале, так и их сумма. Оценка ЭПР по измерениям мощности принятого сигнала определяется по известной формуле уравнения дальности радиолокации [4]

где σ - величина ЭПР;

Рпр - мощность принятого сигнала;

Рпер - мощность передатчика;

G - коэффициент усиления передающей (приемной) антенны;

λ - длина волны РЛС;

R - дальность до цели.

Таким образом, предлагаемый способ раскрывает новые функциональные возможности классификации и бланкирования дискретных помех и позволяет исключить бланкирование малоразмерных полезных целей имеющих низкие радиальные скорости, большой продольный размер и высокую ЭПР. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию "существенные отличия".

Действительно, в способе, взятом в качестве прототипа, для однозначного измерения скорости обнаруженного объекта на каждой несущей формируется оценка межпериодной доплеровской разности фазы с последующим формированием межчастотной межпериодной разности фазы.

Для классификации объектов по скоростному признаку можно воспользоваться известной оценкой аргумента межпериодного коэффициента корреляции. Алгоритм этой оценки, получаемой по пачке из N импульсов, может быть выражен в следующем виде

где z_i - комплексные выборки наблюдений на одной несущей частоте.

Классификация объектов по скоростному признаку может быть реализована путем сравнения полученной оценки с порогом, соответствующим максимальной скорости движения мешающего объекта

Использование такого одночастотного алгоритма классификации сопряжено с существенным недостатком - наличие неоднозначности оценки доплеровской фазы. Известно, что оценка γ связана с длиной волны λ излучения РЛС, частотой повторения импульсов F и радиальной составляющей скорости полета объекта V соотношением

При относительно малых значениях частот повторения (F = 300 Гц - 1000 Гц), которые используются в большинстве современных РЛС обнаружения, γ в несколько раз может превышать значение 2π даже в случае зондирования РЛС медленно движущегося объекта, в то время как функция арктангенса однозначно определена в интервале изменения фазы от 0 до 2π (или от - π до π). Это может привести к увеличению вероятности ошибочной классификации скоростных и медленно движущихся объектов. Для устранения указанного недостатка в прототипе используются две несущих частоты РЛС. Доплеровский набег фазы на каждой из несущих частот можно представить в виде

γ₁=γ₁₀+2πk, γ₂=γ₂₀+2 πn, где γ₁₀, γ₂₀ - значения фазы в интервале однозначности (- π, π), k, n=0, 1, 2, …, ∞.

Определим межчастотную разность фазы:

Δγ=γ₁-γ₂=γ₁₀-γ₂₀+2πk-2πn

Для небольшого разноса несущих частот (несколько % от несущей) k=n получаем

Δγ=γ₁₀-γ₂₀, Разность Δγ однозначно определена в пределах

(-π, π).

Таким образом, алгоритм однозначного измерения разности фаз будет

Где

Измеренная межчастотная разность межпериодной разности фаз сравнивается с порогом и при не превышении порога принимается решение, что отраженный сигнал принадлежит сигналам точечных мешающих отражений и бланкируется. Так использовалась оценка межчастотной межпериодной разности фаз в способе, взятом в качестве прототипа, в котором оценка межчастотной межпериодной разности фаз путем сравнения с порогом формирует лишь первый скоростной признак, например, в виде логической единицы, если порог не превышен. Дополнительно в прототипе использование двух несущих частот для однозначного измерения скорости дает возможность сформировать еще один признак классифицируемого объекта - межчастотный коэффициент корреляции. Как показано в работе [5]

для классификации отраженных сигналов от объектов по их продольному размеру можно использовать характер флюктуаций отраженных сигналов на разных несущих частотах. В частности, в основе второго признака классификации в предлагаемом способе лежит взаимосвязь значения нормированного межчастотного коэффициента корреляции с линейными размерами объекта. Чем больше размер объекта, тем меньше межчастотный коэффициент корреляции. Если разнос несущих частот выбрать из условия

где L_MAX - максимальный разнос участков локального отражения вдоль линии визирования РЛС на классифицируемый объект при разных несущих частотах зондирующего сигнала, то величина межчастотного коэффициента корреляции R(ΔF) будет связана с размером объекта L выражением

Как следует из этой формулы из [5], для того чтобы различить класс летательных аппаратов с малым продольным размером от класса медленно перемещающихся дискретных мешающих объектов, имеющих значительно большие размеры L достаточно выбрать разнос несущих частот ΔF порядка 10 МГц. Современные летательные аппараты имеют максимальный размер менее 75 метров, что значительно меньше разрешающей способности РЛС обнаружения, составляющей 150-300 метров, соизмеримой с размерами дискретных пассивных помех.

В этом случае для самого большого самолета, например, Эрбас А-380, размером в 72 метра межчастотный коэффициент корреляции равен

Для меньшего размера отечественного лайнера ИЛ-96-300 длиной в 55 метров

В то время как для 200 метрового мешающего объекта

Значит, выбрав разнос несущих не более 10 МГц и сравнивая корреляционный признак с порогом при его не превышении формируется вторая логическая единица корреляционного признака.

Объединяя логические признаки по «И» при совпадении логических единиц принимается решении о бланкировании сигнала отраженного мешающим объектом в данном элементе дальности.

Следует отметить, что разнос несущих в 10 МГц хорошо согласуется с требованием однозначной оценки и скоростного признака, т.е. составляет несколько процентов от частоты несущих современных РЛС обзора.

Как и для первого скоростного признака, для формирования межчастотного коэффициента корреляции применим накопление оценки по пачке из N импульсов.

где z_1i и z_2i - комплексные выборки наблюдений на первой и второй несущей частоте. Тогда межчастотный коэффициент корреляции может быть вычислен по следующей формуле:

В отличие от прототипа со скоростным и корреляционным признаками с целью исключения бланкирования полезных сигналов с большой ЭПР предлагается использовать третий ЭПР признак, который может быть получен путем суммирования мощностей сигналов z1 и z2, используемых для нормирования оценки межчастотного коэффициента корреляции, т.е.

z1+z2<σ_ПОР

Проиллюстрируем работу предлагаемого способа на конкретном примере, прибегнув к моделированию с помощью системы MATLAB [6].

Осуществим классификацию двух объектов движущихся на скорости от 10 до 180 метров в секунду, используя две выборки наблюдений в виде двух пачек импульсов с постоянным периодом повторения 0,001 сек., отраженных от объекта на разных несущих частотах 500 МГц и 510 МГц. Объекты имеют ширину спектра флюктуаций в несколько герц и большой продольный размер, характеризуемый межчастотным коэффициентом корреляции 0,1 (как цель, так и мешающий объект). Скоростной порог был задан в 100 м/с и корреляционный порог составлял 0,5. Обрабатываемое число импульсов пачке, на каждой несущей равнялось 8. Предположим что ЭПР цели σ1=5 м², а мешающего отражения ЭПР σ2=0,25 м². В общем виде из уравнения дальности радиолокации следует

- постоянный коэффициент, характеризующий параметры РЛС,

где P_пр1, Р_пр2 - мощность принимаемого сигнала на входе приемной антенны на дальности R₁ и R₂ соответственно.

Используя (2) и (3), найдем отношение оценок ЭПР, сделанных на разных дальностях R₁ и R₂:

Считая, что полезная цель и мешающие отражения находятся на одной дальности, можно видеть, что мощность принимаемых сигналов для выбранных ЭПР отличается в 20 раз. Возьмем дисперсию моделируемых квадратурных составляющих с гауссовым законом распределения для мешающих отражений равной 1, а для цели в двадцать раз больше. Результаты моделирования вероятностей бланкирования данных объектов в MATLAB с использованием предложенного способа (отмечены звездочками) и способа, взятого в качестве прототипа (отмечены кружочками), приведены на Фиг. 1 и Фиг. 2. На Фиг. 1 приведена вероятность бланкирования объекта с малым ЭПР, имеющего большие продольные размеры (порог в 0,5 оценкой межчастотного коэффициента корреляции ими не превышен) и малые скорости. Вероятности бланкирования для предлагаемого способа совпадают с прототипом, так как порог ЭПР мощностью принятых сигналов не превышен. На Фиг. 2 приведена вероятность бланкирования для объекта с большой ЭПР с большим продольным размером и малые скорости, отраженные сигналы от которого не бланкируются для предлагаемого способа, а у способа взятого за прототип бланкируются. У прототипа из-за отсутствия признака ЭПР бланкируются как мешающие отражения, так и полезная цель. Иными словами предложенный способ имеет явные преимущества перед известным ранее.

Таким образом, проведенное исследование в системе MATLAB полностью подтверждает положительный эффект от применения предложенного способа классификации и бланкирования дискретных помех.

ПЕРЕЧЕНЬ ИСТОЧНИКОВ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ПРИ ОФОРМЛЕНИИ ЗАЯВКИ

1. Лозовский И.Ф. Защита РЛС обзора от точечных помех. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2014.

2. Бартенев В.Г., Галкин Р.Н. Синтез цифрового двухчастотного классификатора дискретных помех по скоростному признаку. - Труды 16 Международной конференции «Цифровая обработка сигналов и ее применение DSPA-2014», Москва, Т. - 1, стр. 343-347, 2014.

3. Бартенев В.Г. Способ классификации и бланкирования дискретных помех. Патент № 2599870 но заявке № 2015128907 зарегистрирован в Государственном реестре РФ 23.09.2016.

4. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника, т. 1, М., «Советское радио», 1976, с. 357, формула (1).

5. Абраменков В.В., Климов С.А., Бондарев П.А., Юдин В.А., Гульшин В.А. Разрешение и распознавание радиолокационных объектов - Ульяновск: УлГТУ, 2012.

6. Потемкин В.Г. «Справочник по MATLAB Анализ и обработка данных, http:/ matlab.exponenta.ru/ml/book2/chapter8/

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к цифровой обработке радиолокационных сигналов, и предназначено для повышения эффективности классификации и бланкирования дискретных пассивных помех. Изобретение характеризуется тем, что осуществляют оценки продольного размера классифицируемых объектов и размер, который не превышает порог, классифицируют как мешающий сигнал по корреляционному признаку, формируют оценку мощности принимаемых сигналов, которая сравнивается с порогом в каждом элементе дальности с присвоением при не превышении этого порога в конкретном элементе дальности признака сигнала мешающего отражения, при этом после объединения корреляционного, скоростного и ЭПР признаков мешающего сигнала при их совпадении принимается решение о бланкировании отраженного сигнала в данном элементе дальности. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ классификации и бланкирования дискретных помех, который включает в себя формирование оценок межчастотной межпериодной доплеровской разности фазы для однозначного измерения скорости объектов на основе двух выборок наблюдений, принятых на двух несущих частотах, и сравнение этой оценки с порогом в каждом элементе дальности с присвоением при не превышении этого порога в конкретном элементе дальности признака сигнала мешающего отражения, формирование модуля межчастотного коэффициента корреляции, который используется для оценки продольного размера классифицируемых объектов и который, не превысив порог, классифицируется как мешающий сигнал по корреляционному признаку, отличающийся тем, что с целью исключения бланкирования полезных сигналов от целей с большой эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР) формируется оценка мощности принимаемых сигналов, которая сравнивается с порогом в каждом элементе дальности с присвоением при не превышении этого порога в конкретном элементе дальности признака сигнала мешающего отражения, при этом после объединения корреляционного, скоростного и ЭПР признаков мешающего сигнала, при их совпадении принимается решение о бланкировании отраженного сигнала в данном элементе дальности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что порог ЭПР признака изменяется по дистанции для каждого элемента дальности в соответствии с уравнением дальности радиолокации для выбранного ЭПР мешающего отражения и конкретных параметров РЛС.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для мешающих отражений по скоростному, корреляционному и ЭПР признакам ставят в соответствие логические единицы и их совпадение фиксируют в каждом элементе дальности с помощью логической функции «И».