СПОСОБ ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКОЙ СЕЛЕКЦИИ ЛОЖНЫХ ВОЗДУШНЫХ ЦЕЛЕЙ Российский патент 2022 года по МПК G01S13/52 

Изобретение относится к методам селекции автономных ложных воздушных целей и может быть использовано для селекции ложных воздушных целей по поляризационным характеристикам отраженных сигналов в многоканальных импульсно-доплеровских радиолокационных системах обнаружения и сопровождения.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу (прототип) является способ поляриметрической селекции ложных воздушных целей (пат. РФ 2709630 Рос. Федерация: МПК G01S 13/52 Лихачев В.П., Кузнецов В.А., Амбросов Д.В., Дятлов Д.В.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования «Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации, заявл. 14.11.18; опубл. 19.12.19, Бюл. №35), заключающийся в том, что с помощью радиолокационной станции (РЛС) в течение интервала времени Δt излучают в направлении выбранной цели импульсные зондирующие сигналы, причем в направлении каждой выбранной цели в качестве импульсных зондирующих сигналов излучают импульсные последовательности поочередно приемо-передающими каналами с двумя активными фазированными антенными решетками (АФАР) с горизонтальной и вертикальной поляризациями электромагнитных волн (ЭМВ), принимают отраженные от цели импульсные последовательности, амплитуды которых запоминают в оперативном запоминающем устройстве и формируют из запомненных амплитуд массив данных, ведут одновременное сопровождение М целей методом последовательного обращения лучей двух АФАР с вертикальной и горизонтальной поляризациями ЭМВ к 1-й, 2-й, …, m-й, … и М-й цели, так что длительность одного цикла обращения к М целям составляет M×Δt, для полученного в течение интервала Δt целого числа K'N - частотных импульсных последовательностей вычисляют максимально возможный период повторения импульсов в РЛС Т_{и макс} = 0,5(Δt/N), находят число импульсных последовательностей K'=2(ƒ^*(Т_{и макс}/Т_{и мин})), запоминание амплитуд отраженных от m-й цели сигналов на четырех поляризациях (двух коллинеарных и двух ортогональных) осуществляют в соответствующем m-м частном двумерном массиве данных W^m размером N×K', из частных массивов W^m для отдельных m-х целей формируют генеральный массив W, содержащий информацию об отраженных сигналах всех М целей, сопровождаемых РЛС, при этом определяют оценки поимпульсной суммарной разности амплитуд сигналов, отраженных от m-й цели на четырех поляризациях - двух коллинеарных и двух ортогональных, производят вычисления по формуле

где - амплитуда n-го импульса, полученная при излучении в направлении выбранной m-й цели последовательности радиоимпульсов каналом с АФАР с горизонтальной поляризацией ЭМВ и приеме отраженной последовательности радиоимпульсов от m-й цели каналом с АФАР с горизонтальной поляризацией ЭМВ, - амплитуда n-го импульса, полученная при излучении в направлении выбранной m-й цели последовательности радиоимпульсов каналом с АФАР с вертикальной поляризацией ЭМВ и приеме отраженной последовательности радиоимпульсов от m-й цели каналом с АФАР с горизонтальной поляризацией ЭМВ, - амплитуда n-го импульса, полученная при излучении в направлении выбранной m-й цели последовательности радиоимпульсов каналом с АФАР с горизонтальной поляризацией ЭМВ и приеме отраженной последовательности радиоимпульсов от m-й цели каналом с АФАР с вертикальной поляризацией ЭМВ, - амплитуда n-го импульса, полученная при излучении в направлении выбранной m-й цели последовательности радиоимпульсов каналом с АФАР с вертикальной поляризацией ЭМВ и приеме отраженной последовательности радиоимпульсов от m-й цели каналом с АФАР с вертикальной поляризацией ЭМВ, рассчитывают средние значения суммарно-разностных амплитуд поляризационной матрицы, для чего определяют для m-й цели среднее значение отраженного поляризационного сигнала в пределах частного массива W^m по формуле

принимают значение σ^m за оценку средней суммарно-разностной амплитуды m-й цели, сравнивают величину σ^m с заранее установленным пороговым значением σ_пор и в случае превышения пороговой величины принимают окончательное решение об отнесении m-й цели к классу реальных целей, в противном случае принимают окончательное решение об отнесении m-й цели к классу ложных воздушных целей.

Основным недостатком данного способа является низкая вероятность правильной селекции автономных ложных воздушных целей (АЛВЦ) типа MALD в том случае, если с помощью АЛВЦ имитируются отраженные эхо-сигналы от реальной воздушной цели, содержащие информацию о ее эффективной площади рассеяния и спектре вторичной доплеровской модуляции на круговой поляризации ЭМВ, тогда σ^m станет непостоянной величиной, а сравнение с заранее установленным порогом σ_пор будет не эффективным. Кроме того, в случае применения на истинной воздушной цели (ИВЦ) технологии маскирования своей эффективной площади рассеяния в мирное время, например, с помощью линз Люнеберга, подвесных средств поражения или топливных баков, оказывается невозможным рассчитать и установить пороговое значение σ_пор, вследствие чего в военное время истинное значение эффективной площади рассеяния неизвестно, а вероятность правильной селекции оказывается низкой.

Техническим результатом изобретения является повышение вероятности правильной селекции АЛВЦ типа MALD за счет дополнительного учета поляризационных отличий при возникновении эффекта вторичной доплеровской модуляции зондирующего сигнала, отраженного от авиационной силовой установки, а также применения алгоритма кластеризации, например, k-means или Fuzzy C-means, при принятии решения об истинности воздушной цели.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе поляриметрической селекции ложных воздушных целей, заключающемся в том, что в направлении каждой выбранной цели с помощью РЛС в течение интервала времени Δt излучают импульсные последовательности поочередно, приемо-передающими каналами с двумя АФАР с горизонтальной и вертикальной поляризациями ЭМВ, принимают отраженные от цели импульсные последовательности, амплитуды которых запоминают в оперативном запоминающем устройстве и формируют из запомненных амплитуд массив данных, ведут одновременное сопровождение М целей методом последовательного обращения лучей двух АФАР с вертикальной и горизонтальной поляризациями ЭМВ к 1-й, 2-й, …, m-й, … и М-й цели, так что длительность одного цикла обращения к М целям составляет M×Δt, согласно предлагаемому изобретению, в направлении каждой выбранной цели излучают двумя приемо-передающими каналами РЛС с двумя АФАР с горизонтальной и вертикальной поляризациями ЭМВ, поочередно, по две импульсные последовательности: первая со ступенчатой частотной модуляцией (СЧМ) для формирования дальностного портрета высокого разрешения и вторая с линейно-частотной модуляцией (ЛЧМ) для формирования спектрально-доплеровского портрета m-й цели, двумя каналами одновременно принимают отраженные от m-й цели импульсные последовательности с СЧМ и ЛЧМ, амплитуды и доплеровские частоты которых запоминают в оперативном запоминающем устройстве в соответствующих частных двумерных массивах данных, из частных массивов для отдельных m-х целей формируют трехмерный генеральный массив W, содержащий информацию об отраженных сигналах всех М целей, сопровождаемых РЛС, из генерального массива данных W для каждой m-й цели получают на четырех поляризациях (двух коллинеарных и двух ортогональных) дальностные портреты высокого разрешения и спектрально-доплеровские портреты, на основании которых формируют многочастотные поляриметрические дальностно-доплеровские радиолокационные портреты, определяют оценки суммарной разности многочастотных поляриметрических дальностно-доплеровских радиолокационных портретов в каждом элементе разрешения, рассчитывают средние величины суммарно-разностных значений многочастотных поляриметрических дальностно-доплеровских радиолокационных портретов для m-й цели в пределах частных массивов данных, принимают решение об истинности воздушной цели, при этом используют алгоритм кластеризации, например k-means, в котором начальные центры кластеров истинной и ложной цели задают как максимум и минимум всей выборки средних величин суммарно-разностных значений многочастотных поляриметрических дальностно-доплеровских радиолокационных портретов М целей, распределяют средние величины суммарно-разностных значений многочастотных поляриметрических дальностно-доплеровских радиолокационных портретов М целей на два кластера: истинных и ложных воздушных целей по критерию наименьшего расстояния до центров масс кластеров, пересчет центров кластеров производят итеративно до тех пор, пока они не станут постоянными величинами.

За счет этого происходит повышение вероятности правильной селекции ложных воздушных целей.

Сущность заявленного способа заключается в том, что с помощью РЛС с двумя приемо-передающими каналами с двумя АФАР с горизонтальной и вертикальной поляризациями ЭМВ (см., например, Нечаев Е.Е., Дерябин К.С. Современные бортовые радиолокационные станции и антенные решетки многофункциональных авиационных комплексов военного назначения // Научный Вестник МГТУ ГА. 2015. №221. С. 90-105) в течение интервала времени At излучают в направлении каждой выбранной цели, поочередно, по две импульсные последовательности: первая с СЧМ (см., например, Канащенков А.И., Меркулов В.И., Герасимов А.А. и др. Радиолокационные системы многофункциональных самолетов. Т.1. РЛС - информационная основа боевых действий многофункциональных самолетов. Системы и алгоритмы первичной обработки радиолокационных сигналов / под ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова. - М.: Радиотехника, 2006 - 656 с.) для формирования дальностного портрета высокого разрешения и вторая с ЛЧМ (см., например, Антипов В.Н., Колтышев Е.Е., Кондратенков Г.С. и др. Многофункциональные радиолокационные комплексы истребителей / под ред. В.Н. Лепина. - М.: Радиотехника, 2014 - 296 с.) для формирования спектрально-доплеровского портрета m-й цели, ведут одновременное сопровождение М целей методом последовательного обращения лучей двух АФАР с горизонтальной и вертикальной поляризациями ЭМВ к каждой цели, так что длительность одного цикла обращения к М целям составляет M×Δt, причем при зондировании импульсных последовательностей с СЧМ применяют поимпульсную перестройку частоты на F/N от ƒ₀ до ƒ₀+F, где F - диапазон перестройки частоты, N - количество импульсов в импульсной последовательности k, так что n-й сигнал N - импульсной последовательности излучают на частоте ƒ_n=ƒ₀+(n-1)F/N, зондирующие сигналы с ЛЧМ излучают в виде последовательностей (импульсных последовательностей) коротких импульсов с высокой частотой следования, когда частота следования превышает максимальную доплеровскую частоту сближения с целью и обеспечивает однозначность по скорости, также последовательно принимают отраженные от m-й цели импульсные последовательности с СЧМ и ЛЧМ, амплитуды [q] и доплеровские частоты {ƒ_д+ƒ_вдм} которых запоминают в оперативном запоминающем устройстве, запоминание амплитуд {q} и доплеровских частот {ƒ_д+ƒ_вдм} отраженных от m-й цели сигналов на четырех поляризациях (двух коллинеарных и двух ортогональных) осуществляют в соответствующих q-м и ƒ-м частных двумерных массивах данных и , размером и , где K' - количество импульсных последовательностей, из частных массивов и для отдельных m-х целей формируют трехмерный генеральный массив W, содержащий информацию об отраженных сигналах всех М целей, сопровождаемых РЛС, из генерального массива данных W, для каждой m-й цели получают дальностные портреты высокого разрешения и спектрально-доплеровские портреты на четырех поляризациях (двух коллинеарных и двух ортогональных), на основании которых формируют многочастотные поляриметрические дальностно-доплеровские радиолокационные портреты где w, v - вид поляризации ЭМВ при излучении и приеме соответственно, определяют оценки суммарной разности многочастотных поляриметрических дальностно-доплеровских радиолокационных портретов в каждом элементе разрешения по формуле вычисляют средние величины суммарно-разностных значении многочастотных поляриметрических дальностно-доплеровских радиолокационных портретов для m-й цели в пределах частных массивов и по формуле

где Q=size({q}), F=size({ƒ_д+ƒ_вдм}), size(*) - функция вычисления длины вектора, принимают решение об истинности воздушной цели, при этом используют алгоритм кластеризации, например k-means, в котором начальные центры кластеров истинной и ложной цели задают как максимум и минимум всей выборки {σ^m} М целей: ξ_ИВЦ=max{σ^m} и ξ_ЛВЦ=min{σ^m}, распределяют средние величины суммарно-разностных значений многочастотных поляриметрических дальностно-доплеровских радиолокационных портретов М целей {σ^m} на два кластера истинных {σ_ИВЦ} и ложных {σ_ЛВЦ} воздушных целей по критерию наименьшего расстояния до центров масс кластеров ξ_ИВЦ и ξ_ЛВЦ:

центры кластеров пересчитывают по формулам

пересчет центров кластеров производят итеративно до тех пор, пока ξ_ИВЦ = const и ξ_ЛВЦ = const.

Сущность изобретения поясняют фиг. 1-3.

На фиг. 1 представлены многочастотные поляриметрические дальностно-доплеровские радиолокационные портреты ИВЦ и АЛВЦ типа MALD, имитирующей ИВЦ, сформированные на четырех поляризациях ЭМВ с помощью приведенного выше алгоритма.

В результате определения оценок суммарной разности многочастотных поляриметрических дальностно-доплеровских радиолокационных портретов ИВЦ и АЛВЦ типа MALD, имитирующей ИВЦ (фиг. 1) в каждом элементе разрешения будут наблюдаться существенные отличия, как показано на фиг. 2. При имитации АЛВЦ отраженных эхо-сигналов от реальной воздушной цели, содержащих информацию о ее эффективной площади рассеяния и спектре вторичной доплеровской модуляции на круговой поляризации ЭМВ, в случае ИВЦ значения суммарно-разностных многочастотных поляриметрических дальностно-доплеровских радиолокационных портретов ИВЦ стремятся к максимальному значению, в случае АЛВЦ типа MALD, имитирующей ИВЦ - к минимальному значению, что обеспечит высокую вероятность правильной селекции ЛВЦ.

По средним значениям оценок суммарно-разностных амплитуд многочастотных поляриметрических дальностно-доплеровских радиолокационных портретов М целей с помощью алгоритма кластеризации k-means принимается решение о распределении множества {σ^m} на два кластера: истинных {σ_ИВЦ} и ложных {σ_ЛВЦ} воздушных целей (фиг. 3) без необходимости введения пороговой обработки. В военное время при неизвестном истинном значении эффективной площади рассеяния вероятность правильной селекции окажется высокой.

Этим достигается указанный в изобретении результат.

Таким образом, определение оценок суммарной разности многочастотных поляриметрических дальностно-доплеровских радиолокационных портретов ИВЦ и АЛВЦ типа MALD, имитирующей ИВЦ в каждом элементе разрешения по дальности и частоте, а также кластеризация средних значений оценок суммарно-разностных амплитуд многочастотных поляриметрических дальностно-доплеровских радиолокационных портретов обеспечит повышение вероятности правильной селекции АЛВЦ типа MALD.

Предлагаемый способ поляриметрической селекции ложных воздушных целей практически применим, так как для его реализации могут быть использованы типовые элементы, широко распространенные в области электроники и электротехники.

Изобретение относится к методам селекции автономных ложных воздушных целей и может быть использовано для селекции ложных воздушных целей по поляризационным характеристикам отраженных сигналов в многоканальных импульсно-доплеровских радиолокационных системах обнаружения и сопровождения. Техническим результатом изобретения является повышение вероятности правильной селекции автономных ложных воздушных целей типа MALD за счет дополнительного учета поляризационных отличий при возникновении эффекта вторичной доплеровской модуляции зондирующего сигнала, отраженного от авиационной силовой установки, а также применения алгоритма кластеризации, например k-means или Fuzzy C-means, при принятии решения об истинности воздушной цели. В заявленном способе в направлении каждой выбранной цели излучают поочередно приемопередающими каналами радиолокационной станции с двумя активными фазированными антенными решетками с горизонтальной и вертикальной поляризациями электромагнитных волн по две импульсные последовательности: первая со ступенчатой частотной модуляцией для формирования дальностного портрета высокого разрешения и вторая с линейной частотной модуляцией для формирования спектрально-доплеровского портрета m-й цели. При этом ведут одновременное сопровождение М целей методом последовательного обращения лучей двух активных фазированных антенных решеток с горизонтальной и вертикальной поляризациями электромагнитных волн к каждой цели. Двумя каналами одновременно принимают отраженные от m-й цели импульсные последовательности со ступенчатой частотной модуляцией и с линейной частотной модуляцией, амплитуды и доплеровские частоты которых запоминают в оперативном запоминающем устройстве в соответствующих частных двумерных массивах данных. Из частных массивов для отдельных m-х целей формируют трехмерный генеральный массив W, из которого для каждой m-й цели получают дальностные портреты высокого разрешения и спектрально-доплеровские портреты на четырех поляризациях (двух коллинеарных и двух ортогональных), на основании которых формируют многочастотные поляриметрические дальностно-доплеровские радиолокационные портреты. Далее определяют в каждом элементе разрешения оценки суммарной разности многочастотных поляриметрических дальностно-доплеровских радиолокационных портретов, вычисляют их средние величины для m-й цели в пределах частных массивов данных и принимают решение об истинности воздушной цели. При этом используют алгоритм кластеризации, например k-means, в котором начальные центры кластеров истинной и ложной цели задают как максимум и минимум всей выборки средних величин суммарно-разностных значений многочастотных поляриметрических дальностно-доплеровских радиолокационных портретов М целей, распределяют их средние величины на два кластера - истинных и ложных воздушных целей - по критерию наименьшего расстояния до центров масс кластеров, пересчет центров кластеров производят итеративно до тех пор, пока они не станут постоянными величинами. 3 ил.

Способ поляриметрической селекции ложных воздушных целей, заключающийся в том, что с помощью радиолокационной станции в течение интервала времени Δt излучают в направлении выбранной цели импульсные зондирующие сигналы, отличающийся тем, что в направлении каждой выбранной цели излучают поочередно приемопередающими каналами радиолокационной станции с двумя активными фазированными антенными решетками с горизонтальной и вертикальной поляризациями электромагнитных волн по две импульсные последовательности: первая со ступенчатой частотной модуляцией для формирования дальностного портрета высокого разрешения и вторая с линейной частотной модуляцией для формирования спектрально-доплеровского портрета m-й цели, ведут одновременное сопровождение М целей методом последовательного обращения лучей двух активных фазированных антенных решеток с горизонтальной и вертикальной поляризациями электромагнитных волн к каждой цели, так что длительность одного цикла обращения к М целям составляет M×Δt, двумя каналами одновременно принимают отраженные от m-й цели импульсные последовательности со ступенчатой частной модуляцией и с линейной частной модуляцией, амплитуды [q] и доплеровские частоты {ƒ_д+ƒ_вдм) которых запоминают в оперативном запоминающем устройстве в соответствующих q-м и ƒ-м частных двумерных массивах данных и размером и соответственно, где N - количество импульсов в импульсной последовательности, K' - количество импульсных последовательностей, из частных массивов и для отдельных m-х целей формируют трехмерный генеральный массив W, содержащий информацию об отраженных сигналах всех М целей, сопровождаемых радиолокационной станцией, из генерального массива данных W для каждой m-й цели получают на четырех поляризациях (двух коллинеарных и двух ортогональных) дальностные портреты высокого разрешения и спектрально-доплеровские портреты, на основании которых формируют многочастотные поляриметрические дальностно-доплеровские радиолокационные портреты где w, v - вид поляризации электромагнитных волн при излучении и приеме соответственно, определяют оценки суммарной разности многочастотных поляриметрических дальностно-доплеровских радиолокационных портретов в каждом элементе разрешения по формуле

вычисляют средние величины суммарно-разностных значений многочастотных поляриметрических дальностно-доплеровских радиолокационных портретов для m-й цели в пределах частных массивов и по формуле

где Q=size({q}), F=size({ƒ_д+ƒ_вдм}), size(*) - функция вычисления длины вектора, принимают решение об истинности воздушной цели, при этом используют алгоритм кластеризации, например k-means, в котором начальные центры кластеров истинной и ложной цели задают как максимум и минимум всей выборки {σ^m} М целей: ξ_ИВЦ=max{σ^m} и ξ_лвц=min{σ^m}, распределяют средние величины суммарно-разностных значений многочастотных поляриметрических дальностно-доплеровских радиолокационных портретов М целей {σ^m} на два кластер -: истинных {σ_ИВЦ} и ложных {σ_ЛВЦ} воздушных целей - по критерию наименьшего расстояния до центров масс кластеров ξ_ИВЦ и ξ_лвц:

центры кластеров пересчитывают по формулам

пересчет центров кластеров производят итеративно до тех пор, пока ξ_ИВЦ = const и ξ_лвц = const.