Модернизация алгоритма распознания цели многофункциональной РЛС

Модернизация алгоритма распознания цели многофункциональной РЛС

Аннотация

Дипломная работа содержит 47 страниц, в том числе 11 рисунков, 1 таблицу и 2 приложения.

В дипломной работе исследована возможность выделения сигнальных признаков в приемниках обнаружения и сопровождения МСНР 9С32 в интересах распознавания. В частности, предметом исследования в данной работе является система распознавания, в которой реализован централизованный способ распознавания (посредством информации поступающей с ПБУ 9С457) с уточнением информации о цели по траекторным параметрам, рассчитанным станциями РЛС-КО, РЛС-СО.

В пояснительной записке предлагается использовать сигнальные признаки, анализ алгоритма распознавания, а также определены пути его совершенствования. Рассматриваются основные понятия классификации признаков, используемых при радиолокационном распознавании.

Список сокращений и принятых обозначений

РЛР — радиолокационное распознавание СВН — средства воздушного нападения МСНР — многоканальная станция наведения ракет РЛС-КО — радиолокационная станция кругового обзора РЛС-СО — радиолокационная станция секторного обзора ВЦ — воздушная цель ВМ — вторичная модуляция РЛЦ — радиолокационная цель МТА — массив трасс СЦВМ-А ЗРК — зенитный ракетный комплекс АКФ — автокорреляционная функция КНИ — квазинепрерывное излучение ВТСК — внутренней телефонной связи и коммутации ЦУ — целеуказание КП — командный пункт БРА-ЦУ, БРА-АУ, БРБ — режимы работы станции ДР — дежурный режим ФК — функциональный контроль ФКА — функциональный контроль автоматизированный ФКП — функциональный контроль полный ТР — тренировка КСДЦ — контрольный сигнал движущейся цели ЭВМ — электронно-вычислительная машина ДНА — диаграмма направленности антенны СКС — следящая координатная система УПО — устройство первичной обработки ФАР — фазированная антенная решетка ЛЧМ — линейная частотная модуляция ДПЛЗ — дисперсионная пьезоэлектрическая линия задержки ПППРИ — периодическая последовательность прямоугольных радиоимпульсов ПППВИ — периодическая последовательность прямоугольных видеоимпульсов АЧС — амплитудночастотный спектр УНД — устранение неоднозначности по дальности УНV — устранение неоднозначности по скорости АЗПО — автоматический захват подвижным обнаружителем БЦ — баллистическая цель БЦП — баллистическая цель типа «першинг»

АЦ — аэродинамическая цель ЭПР — эффективная площадь рассеивания ЭП — эффективная поверхность ИСО — индикатор секторного обзора ИО — индикатор оператора ПРР — противорадиолокационная ракета

1 Принципы построения МСНР 9С32 и характеристики сигналов, применяемых в ней

1.1 Особенности построения МСНР 9С32

1.2 Технические характеристики сигнала типа 1А и аналитическое его описание

1.2.1 Влияния эффекта вторичной модуляции на характеристики выходного сигнала оптимального фильтра (ДПЛЗ) для сигнала типа 1А

1.3 Технические характеристики сигнала типа 1Б и аналитическое его описание

1.4 Технические характеристики сигнала типа 2 Т и аналитическое его описание

1.5 Анализ характеристик зондирующих сигналов, используемых в МСНР 9С32

Вывод

2 Сущность, основные понятия задачи РЛР. Анализ признаков РЛР

2.1 Классификация методов распознавания и их краткая характеристика

2.2 Анализ признаков, используемых при радиолокационном распознавании

2.3 Сигнальные признаки однопозиционной активной локации Вывод

3 Алгоритмы распознавания. Возможности МСНР 9С32 по выделению сигнальных признаков

3.1 Алгоритм распознавания, реализованный в ЗРК 9К81

3.2 Выбор и обоснование признакового пространства для формирования требуемого алфавита классов

3.3 Описание алгоритма, учитывающего сигнальные признаки Вывод Заключение

В настоящее время существует достаточно проработанная как в теоретическом, так и в практическом плане теория радиолокационного распознавания (РЛР), которую принято разделять на теорию принятия решений и теорию выделения признаков (признакового пространства).

В качестве признакового пространства могут выступать сигнальные, траекторные, тактические и поведенческие признаки. Сигнальные признаки заложены в параметрах отраженного сигнала. Траекторные — в параметрах движения цели (дальность, скорость, высота, курсовой параметр и т. д.). Тактические — связаны с особенностями боевого применения и тактики действия СВН. Поведенческие — обусловлены особенностями действия летательных аппаратов (маневр, ускорение, разворот и т. д.)

Для решения задачи распознавания в ЗРК 9К81 используются траекторные признаки. Реализация алгоритма распознавания осуществляется в ПБУ 9С457.

Алгоритм распознавания, реализованный в ПБУ, предназначен для определения типа цели или уточнения этого признака по информации, поступающей от радиолокационной станции кругового обзора (РЛС-КО) и радиолокационной станции секторного обзора (РЛС-СО) (9С15, 9С19).

Задачами распознавания являются:

1) Отнесение цели к одному из трех классов:

аэродинамическая цель;

баллистическая цель типа «Ланс»;

баллистическая цель типа «Першинг»;

2) Запись признака типа цели в зону «массив трасс СЦВМ-А ПБУ 9С457» (МТА);

3) Запись в зону МТА признака окончательного определения типа цели.

Кроме того, в МСНР 9С32 представляется возможным распознавание низколетящих целей по угловому параметру (если цель наблюдается под углом ?00−12 д.у. по углу места) и вертолетов — по признакам отображающимся на индикаторах. Тогда определение типа цели возлагается на одного из операторов и, в дальнейшем, используется командиром ЗРК для решения задачи назначения ПУ и расхода ракет.

Алгоритм определения типа включается при получении каждой отметки и каждого сообщения о трассе воздушной цели (ВЦ) от РЛС 9С15, 9С19, до тех пор, пока по обрабатываемой трассе не будет записан признак окончательного определения типа цели.

Для расширения информационных возможностей по распознаванию воздушных целей в ЗРК 9К81 необходимо ввести новые классы распознаваемых радиолокационных целей. Это возможно, если использовать сигнальные признаки, которые можно выделить в МСНР 9С32.

В МСНР 9С32 используются узкополосные зондирующие сигналы. В настоящее время для узкополосных зондирующих сигналов весьма перспективными являются сигнальные методы РЛР, основанные на эффекте вторичной модуляции (ВМ). В основе этих методов лежат индивидуальные особенности спектральной структуры отраженных от радиолокационных целей (РЛЦ) сигналов, зависящие от характера механических связей между отдельными элементами летательного аппарата. Зная законы этих связей, можно выявить их влияние на спектрально-временную структуру отраженного сигнала, и наоборот, зная спектрально-временную структуру сигнала, можно оценить характер механических связей, а через них решать задачи классификации, распознавания типов целей, контроля и состояния их действия.

Исследованием вопросов радиолокационного распознавания воздушных целей на основе анализа узкополосных зондирующих сигналов занимались и занимаются в настоящее время достаточное количество научных организаций, где получены экспериментальные результаты, показывающие достаточно высокую информативность признаков, характеризующих воздушные объекты, заложенных в параметрах вторичной модуляции эхосигнала.

Практическое применение такого метода реализовано в системе распознавания ЗРК «Бук», где имеется два канала — автоматический и акустический. Автоматический канал обеспечивает распознавание за счет анализа автокорреляционной функции (АКФ) флюктуаций (закона ВМ) отраженного от сопровождаемой цели радиолокационного сигнала в импульсном и квазинепрерывном (КНИ) режимах работы РЛС. Звуковой канал системы распознавания обеспечивает формирование акустического портрета сопровождаемой цели и прослушивание его через телефон системы внутренней телефонной связи и коммутации (ВТСК), позволяющий распознавать типы целей и тактические ситуации.

Таким образом, целью работы является разработка математической модели системы радиолокационного распознавания и, её реализация в виде алгоритмического и программного комплекса.

Задачами дипломной работы являются:

— анализ возможности выделения сигнальных признаков в МСНР 9С32−1;

— разработка математической модели алгоритма радиолокационного распознавания;

— разработка алгоритмического и программного продукта.

Предметом исследования в дипломной работе является МСНР 9С32−1. Объектом — алгоритм распознавания.

сигнальный приемник математический радиолокационный

1 Принципы построения МСНР 9С32. Анализ характеристик сигналов и возможностей выделения сигнальных признаков

1.1 Особенности построения МСНР 9С32

МСНР 9С32 предназначена для поиска и обнаружения различных целей по данным целеуказания (ЦУ) с командного пункта (КП) или автономно, точного автосопровождения целей и определения их координат, управления одновременно несколькими пусковыми установками, передачи на КП координат сопровождаемых целей и другой командно-технической информации об огневых единицах.

В станции предусмотрены следующие режимы работ [3]:

1) БРА-ЦУ — боевая работа по аэродинамическим целям и баллистическим целям типа «Ланс», «Сержант» при целеуказании с КП.

2) БРА-АУ — боевая работа в автономном режиме по аэродинамическим целям.

3) БРБ-ЦУ — боевая работа по баллистическим целям типа «Першинг» при целеуказании с КП.

4) ДР — дежурный режим.

5) ФК — функциональный контроль. Этот режим подразделяется на два режима: ФКА — функциональный контроль автоматический, служащий для оценки боеготовности станции и ФКП — функциональный контроль для поиска неисправности.

6) ТР — режим тренировки боевых расчетов с помощью тренажера 9Ф88.

7) «Облет» — режим проверки МСНР по контрольному сигналу движущейся цели (КСДЦ).

К особенностям построения можно отнести [3]:

1 Многоканальность по целям (до 12 целей).

2 Применение различных типов сигналов.

3 Широкое применение цифровых ЭВМ.

4 Высокий уровень автоматизации БР.

5 Адаптация параметров СКС к характеристикам движущихся целей.

Многоканальность обеспечивается за счет электронного сканирования пространства лучом диаграммы направленности (ДНА) ФАР, а так же временным распределением зондирований по целям на этапе сопровождения с использованием следящей координатной системы (СКС) Д84.

В станции применены три типа зондирующих сигналов с одной и той же несущей частотой [3]: 1А, 1Б, 2 Т.

Сигнал типа IA, представляющий собой ЛЧМ импульс длительностью ф = 120 мкс с девиацией частоты Дf = 2МГц, следующей с частотой повторения FП = 600 Гц.

Сигнал типа IБ — прямоугольный импульс большой длительности с гармоническим заполнением, длительностью ф = 360 мкс и частотой повторения FП = 200 Гц.

Квазинепрерывный сигнал типа IIT представляет собой пачку радиоимпульсов длительностью 4,4 мкс, следующую с частотой повторения 200 Гц. Длительность импульсов внутри пачки и частоты повторения импульсов в пачке могут меняться в пределах 0,8…10 мкс и 25…100кГц, с сохранением скважности Q = 13.

Применение цифровых устройств позволяют автоматизировать процесс БР, т. е. захват и сопровождение.

Таким образом, принципиальным отличием построения МСНР 9С32 от других РЛС является то, что обработка сигнала — аналого-цифровая с применением различных типов сигналов при высоком уровне автоматизации процесса боевой работы. Кроме того, особенностью является также многоканальность по цели и одновременная возможность поиска и сопровождения целей, что достигается применением СКС, устройства первичной обработки (УПО), ФАР.

1.2 Технические характеристики сигнала типа 1А и аналитическое его описание

Сигнал типа 1А используется для обнаружения целей во второй-четвертой зонах в режиме БРА-АУ при отсутствии пассивных помех и представляет собой линейно-частотно модулированный (ЛЧМ) сигнал длительностью 120 мкс, следующий с частотой повторения 600 Гц, периодом следования 1667 мкс и с девиацией частоты внутри импульса 2МГц. Обработка этого сигнала производится квазиоптимальным фильтром на дисперсионных пьезоэлектрических линиях задержки (ДПЛЗ), позволяющих производить сжатие импульсов до 1,7 мкс. Данный сигнал позволяет быстро просматривать зону поиска и производить однозначное и точное определение дальности.

Аналитическое выражение сигнала типа 1А, может быть представлено в общем виде [4]:

(1.1)

где — огибающая амплитуд сигнала, сложной формы (з-н модуляции);

— функция, описывающая закон изменения фазы;

— закон изменения частоты.

В данном выражении управляемые параметры, изменяются значительно медленнее по сравнению с несущей частотой.

Выражению (1.1) соответствует временная, частотно-временная и фазовая характеристики, представленные на рисунке 1.1.

Рисунок.1.1 — Характеристики ЛЧМ сигнала Рассмотрим радиоимпульс c огибающей прямоугольной формы. Будем полагать, что частота ВЧ заполнения импульса линейно нарастает от начала импульса к его концу. Конкретизируя математическую модель сигнала, предположим, что его длительность равна, причем точке соответствует середина импульса, а мгновенная частота изменяется во времени по закону

где — несущая частота;

— параметр, имеющий размерность скорости изменения частоты во времени .

Полная фаза сигнала (подкосинусное выражение) будет определяться выражением. Следовательно, математическая модель сигнала типа 1А будет иметь вид:

(1.2)

Анализ выражения (1.2) показывает, что параметры сигнала, а именно закон модуляции и закон изменения частоты соответствуют периодической последовательности видеоимпульсов и изменению частоты несущего колебания по линейному закону соответственно.

1.2.1 Влияния эффекта вторичной модуляции на характеристики выходного сигнала оптимального фильтра (ДПЛЗ) для сигнала типа 1А

Рассмотрим характеристики сигнала на выходе оптимального фильтра согласованного с сигналом, отраженным от точечной не флюктуирующей цели с учетом вторичной модуляции (ВМ) при ее радиолокационном наблюдении.

Импульсная характеристика оптимального фильтра определяется выражением:

где — временная задержка фильтра;

— ожидаемое значение доплеровского сдвига частоты, поэтому сигнал на выходе фильтра (отклик) имеет вид:

где — расстройка фильтра по частоте;

— доплеровская составляющая эхосигнала.

Для простой модели комплексного отраженного сигнала от самолета без учета эффекта затенения и с учетом ВМ отклик будет иметь вид:

где — амплитуда сигнала от k-ой блестящей точки;

— фаза k-ой составляющей сигнала блестящей точки;

— частота вращения вала турбины.

Учитывая определенную функцию неопределенности закона модуляции зондирующего сигнал, отклик на выходе оптимального фильтра можно представить в виде:

.

Данное выражение характеризует вклад планерной составляющей в отклик оптимального фильтра. С учетом этого и вклада эффекта ВМ на радиолокационный сигнал отклик будет иметь вид:

.

Проанализировав данное выражение видно, что структура комплексной огибающей отклика фильтра на сигнал, отраженный от самолета, зависит от характеристик функции неопределенности и закона ВМ.

Так как ширина полосы пропускания оптимального фильтра определяется шириной спектра зондирующего сигнала, то в отклике фильтра можно учитывать лишь те составляющие, для которых

В случае коротких сигналов практически не происходит искажение отклика фильтра за счет ВМ, а амплитуда отклика пропорциональна значению комплексного коэффициента отражения и рассеяния (ККОР) объекта в момент отражения зондирующего сигнала:

где — время группового запаздывания от n источников отражения.

Последовательность одиночных сигналов с малой длительностью позволяет получить дискретную последовательность значений ККОР объекта в соответствующие моменты времени. Путем восстановления огибающей последовательности откликов фильтра (внутрипериодной обработки) и ее анализа возможно извлечение и использование информации о законе ВМ для решения задач радиолокационного наблюдения (распознавание, опознавание, обнаружение и т. д.).

Учитывая значения доплеровских сдвигов частот и ширину спектра ВМ, можно утверждать, что при любой форме одиночных сигналов длительностью в несколько единиц-десятков мкс и менее вторичная модуляция не приводит к деформации откликов фильтров внутрипериодной обработки, а лишь вызывает межпериодные флюктуации амплитуды и фазы выходных сигналов.

Соответственно, принципы обработки последовательностей отраженных от объектов коротких одиночных сигналов с целью выделения дополнительной информации при анализе законов ВМ не зависят от временной структуры одиночных сигналов и являются одними и теми же, — как для простых, так и для сложных сигналов.

С увеличением длительности одиночных сигналов начинает проявляться деформация их комплексных огибающих и откликов фильтров. Характер влияния составляющих вторичной модуляции различен и определяется комплексными амплитудами и частотами, а также формой тела неопределенности.

Рассмотрим особенности проявления эффекта вторичной модуляции в выходных сигналах оптимального фильтра на примерах простого и ЛЧМ прямоугольных радиоимпульсов.

Функция неопределенности закона модуляции простого прямоугольного импульса (ППРИ) длительностью Т0 определяется выражением.

поэтому отклик фильтра будет иметь вид:

Огибающие реакций фильтра на k-ые составляющие описываются сечением поверхности тела неопределенности по оси времени .

Вклад составляющих в выходной сигнал оптимального фильтра в различные моменты времени определяется значениями сечения поверхности неопределенности плоскостями в точках .

Ширина основного лепестка функции по нулевому уровню равна, поэтому фильтр подавляет составляющие вторичной модуляции для которых. Без ослабления проходят составляющие с частотами. С весовыми коэффициентами от 0,63 до 0 они участвуют в формировании значения отклика оптимального фильтра в момент времени составляющие с частотами .

При больших длительностях сигналов (где — период вращения вала турбины) фильтр обеспечивает частотную селекцию одной составляющей, для которой

Изменяя величину расстройки по частоте, можно селектировать соответствующие гармоники частоты вращения ротора двигателя.

Для прямоугольного ЛЧМ радиоимпульса длительностью Т0 с девиацией частоты функция неопределенности определяется выражением:

где знак определяется знаком скорости изменения частоты. Тогда для отклика оптимального фильтра будет иметь:

Принципиальной особенностью отклика оптимального фильтра на ЛЧМ сигнал при наличии эффекта ВМ является трансформация спектра частот ВМ в распределение времени задержек отклика фильтра на составляющие спектра вторичной модуляции:

Временной интервал между частными сигналами равен а, их амплитуды определяются выражением:

Отсюда следует, что в формировании отклика фильтра будут принимать участие лишь те составляющие для которых выполняется условие Так как длительность сжатого импульса, то при максимальном значении смещения Т0 число разрешаемых гармоник частоты вращения не превысит величины коэффициента сжатия. Таким образом, при максимальном значении смещения Т0 количество разрешаемых гармоник частоты вращения не превысит величины коэффициента сжатия сигнала. Для разрешения «вальных» гармоник во временной структуре отклика длительность зондирующего сигнала должна быть больше длительности периода вращения ротора двигателя. Для разрешения составляющих кратных частоте следования лопаток, требования к длительности сигнала снижается в несколько раз.

Ширина спектра вторичной модуляции на несколько порядков меньше девиации частоты ЛЧМ сигналов, поэтому искажениями амплитуд можно пренебречь, полагая Таким образом, доплеровский портрет цели будет трансформироваться в дальностный. Однако характер этого портрета, как и в случае доплеровского, будет определяться длительностью сигнала, шириной спектра ВМ, числами лопаток и частотой вращения рабочих колес ротора двигателя цели.

При малых длительностях сигналов единицы десятки мкс деформацией отклика фильтра за счет вторичной модуляции сигналов можно пренебречь. ВМ в этом случае проявляется в межпериодных флюктуациях амплитуд и фаз откликов фильтра на одиночные ЛЧМ сигналы в соответствии с законами изменения комплексного коэффициента рассеяния цели.

1.3 Технические характеристики сигнала типа 1Б и аналитическое его описание

Сигнал типа 1Б используется для обнаружения целей в режиме БРА-ЦУ и представляет собой гладкий импульс длительностью 360 мкс, с гармоническим заполнением и частотой повторения 5000 мкс. Этот сигнал обеспечивает более высокие характеристики обнаружения при работе в условиях помех типа белого гауссова шума.

Сигнал 1Б в простейшем случае это — ПППРИ (периодическая последовательность прямоугольных радиоимпульсов). Радиоимпульсы, отделены друг от друга паузами. ПППРИ называются высокочастотные колебания, амплитуда которых изменяется по закону ПППВИ (периодическая последовательность прямоугольных видеоимпульсов). Принцип получения ПППРИ можно пояснить с помощью рисунка 1.2.

Из принципа формирования видно, что для получения ПППРИ необходим непрерывный сигнал, ППВИ. Непрерывный сигнал для МСНР 9С32−1 формируется в моноблоке «Разлив» на задающем генераторе «Василек». Модуляция осуществляется путем режекции боковых составляющих (кобинационных) гармоник на режекторном фильтре в межкаскадном волноводном тракте МВТ-72М. Комбинационные гармоники образуются в результате смешивания на смесителе сигнала и .

Аналитическое выражение для ППРИ, в общем виде, можно представить выражением (1.1). При аналитическом описании сигнала, без учета закона изменения частоты, ППРИ (в пределах периода Т) можно представить в виде:

(1.3)

Рисунок 1.2 — Принцип формирования ППРИ Представим ППРИ в комплексном виде, воспользовавшись преобразованием Эйлера[4]:

(1.4)

где — комплексный множитель ;

— амплитуда сигнала.

Выполнив прямое преобразование Фурье, получим:

; (1.5)

где — количество гармоник;

— частота повторения;

— начальная фаза.

Выражение (1.5) описывает амплитудно-частотный спектр ППРИ (рисунок 1.3). Анализ данного выражения показывает, что энергетический спектр сигнала подчинен закону, частотное положение гармоник располагается через. Первые нули энергетического спектра, а также гармонические составляющие равные нулю расположены на частотной области через относительно .

Рисунок 1.3 — Спектр ПППРИ

1.4 Технические характеристики сигнала типа 2 Т и аналитическое его описание

Сигнал 2 Т используется для автоматического сопровождения целей, для обнаружения целей в режиме БРА-ЦУ, для обнаружения целей в 1-ой зоне в режиме БРА-АУ, а также во второй — четвертой зонах при наличии пассивных помех. Это квазинепрерывный сигнал, представляет собой пачку импульсов длительностью 4,4 мкс, следующую с частотой повторения 200 Гц (период повторения 5 мс). Длительность импульсов внутри пачки и частота повторения могут меняться в пределах от 0,8 до 10 мкс и от 25 до 100 кГц соответственно, скважность при этом не меняется и равна 13, причем произведение числа импульсов в пачке на длительность импульса равна 360 мкс. Что и определяет количество каналов дальности — 12, т. к. количество каналов дальности должно быть на один меньше скважности. Достоинством этого сигнала является высокая селективность по доплеровской частоте и эффективное подавление пассивных помех, недостатком — неоднозначный отсчет дальности, что требует введения дополнительной операции при взятии цели на автосопровождение — устранения неоднозначности по дальности и скорости.

На последнем этапе обнаружением и при сопровождении цели используется сигнал IIT с высокой частотой повторения. Остальные сигналы являются вспомогательными и используются на начальных этапах поиска для анализа радиолокационной обстановки и поиска в секторе. Спектр излучаемого сигнала 2 Т имеет вид представленный на рисунке 1.4 [3, 5].

Представим сигнал в аналитической форме. Допустим, что пачка импульсов состоит из конечного числа периодически повторяющихся импульсов произвольной формы. Пусть начало отсчета проходит через середину первого импульса.

Рисунок 1.4 — Спектр излучаемого сигнала 2 Т Найдем спектральную плотность пачки импульсов. На основании теоремы линейности, спектральная плотность пачки импульсов определяется выражением:

(1.6)

где n и T — число импульсов и период их следования.

В квадратных скобках мы имеем убывающую геометрическую последовательность, знаменатель которой. Сумма геометрической (убывающей), последовательности находится по следующей формуле:

(1.7)

После нормирования по его значению при щ=0, получаем модуль нормированной спектральной плотности [4]:

(1.8)

Полученное выражение справедливо для пачек импульсов любой формы. С его помощью, зная спектр импульса в пачке и вид функции можно построить спектр всей пачки импульсов.

Построение можно провести путем простого перемножения двух функций: и .

Рассмотрим подробнее функцию. Легко заметить, что ее числитель и знаменатель одновременно обращаются в нуль при, кратном, т. е.. Раскрывая при этом получающую неопределенность по правилу Лапиталя, находим, что в этих случаях, так как

(1.9)

В интервале от 0 до числитель дроби, а следовательно, и функция принимают нулевое значения (n-1) раз. Периодичность числителя функции в n раз выше, чем периодичность знаменателя. В этом же интервале мы имеем n-2 промежуточных максимума, значения которых для каждого максимума вычисляется, или дается в готовом виде. График функции имеет лепестковую структуру (рисунок 1.5). Рассмотрим параметры сигналов:

1) главные максимумы:, ;

2) нули функции:, и т. д.;

3) промежуточные максимумы:, ;

4) значения промежуточных максимумов: .

Рисунок 1.5 — Спектр пачки импульсов

В общем случае график состоит из больших и малых лепестков. Высота больших лепестков определяется значением, а высота малых лепестков — локальными максимумами функции. Большие лепестки вдвое шире малых лепестков. Ширина всех малых лепестков одинакова. Расстояние между серединами больших лепестков представляет интервал повторения функции, равный частоте следования импульсов в пачке. А энергетический спектр будет определяться выражением:

(1.10)

1.5 Анализ характеристик зондирующих сигналов, используемых в МСНР 9С32

Приемная система МСНР 9С32 предназначена для обработки сигналов, поступающих с выхода антенной системы в режимах обнаружения и сопровождения целей, заключающейся в усилении фильтрации и преобразовании сигналов.

В режиме сопровождения в приемной системе формируются сигналы ошибок по угловым координатам, дальности и скорости. Кроме того, приемная системы вырабатывает задающие и опорные гармонические напряжения для передающих устройств и синхронизатора.

В МСНР 9С32, как было сказано ранее, используется три типа зондирующих сигналов:

1) Сигнал типа IA, представляющий собой ЛЧМ импульс длительностью ф = 120 мкс с девиацией частоты Дf = 2МГц, следующей с частотой повторения FП = 600 Гц.

2) Сигнал типа IБ — прямоугольный импульс большой длительности с гармоническим заполнением, длительностью ф = 360 мкс и частотой повторения FП = 200 Гц.

3) Квазинепрерывный сигнал типа IIT представляющий собой пачку радиоимпульсов длительностью 4,4 мкс, следующую с частотой повторения 200 Гц. Длительность импульсов внутри пачки и частоты повторения импульсов в пачке могут меняться в пределах 0,8…10 мкс и 25…100кГц, с сохранением скважности Q=Tn/ фn = 1/Fn фn = 13.

На последнем этапе обнаружением и при сопровождении цели используются сигнал IIT с высокой частотой повторения. Остальные сигналы являются вспомогательными и используются на начальных этапах поиска для анализа радиолокационной обстановки (АРО) и поиска целей в секторе.

Итак, приемная система МСНР 9С32 выбрана с таким расчетом, чтобы обработка сигналов различного типа была близка к оптимальной и обеспечивала максимально возможное отношение сигнала к помехе на выходе приемника. При этом предполагается, что сигналы типа IA и IБ используется при условии отсутствия пассивных помех [5, 9].

Вывод

Анализ сигналов проведенных в данной главе показывает, что в МСНР9С32 имеется возможность получения сигнальных признаков на основе анализа спектрально-временных характеристик эхосигналов. Исключение составляет сигнал типа 1А, т.к. спектрально-временная характеристика эхосигнала будет искажена после прохождения его через оптимальный фильтр (ДПЛЗ) — это связано с тем, что сигнал типа 1А является широкополосным с большой базой (). Таким образом, признаки, характеризующие ВМ РЛЦ, заложены в параметрах сигналов типа 1Б и 2 Т. Организовав выделение признака наличия или отсутствия ВМ, позволит в дальнейшем классифицировать воздушные цели. Так, к примеру, у ПРР и БЦ ВМ отсутствует, т.к. у них отсутствуют вращающие элементы конструкции двигательной установки. А вот у вертолетов и самолетов они имеются, следовательно, есть ВМ.

2 Сущность, основные понятия задачи РЛР. Анализ признаков РЛР

2.1 Классификация методов распознавания и их краткая характеристика

Наиболее широко используется классификация методов распознавания в зависимости от типа зондирующего сигнала, используемого в РЛС. Поэтому информация о радиолокационных характеристиках объектов может быть получена методами как активной, так и пассивной радиолокации.

При активной радиолокации устойчивыми информативными признаки являются: эффективная площадь рассеивания, спектральные и временные характеристики отраженных от целей сигналов, содержащих информацию о параметрах движения цели, ее форме, размерах, модуляции, вызванной вращением лопаток турбин или компрессоров, винтов, колебанием различных частей летательного аппарата, поляризационные характеристики сигналов отраженных от целей. При пассивной радиолокации основным информативным признаком является потенциал электрического поля воздействия объекта, так как известно, что летательный аппарат при своем движении приобретает электрический заряд и эта величина зависит от типа летательного аппарата, в зависимости от типа зондирующего сигнала. Методы распознавания можно дать следующую классификацию (смотри рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 — Классификация методов распознавания.

При многочастотных сигналах для распознавания целей используются следующие свойства сигналов и целей [1]:

1) импульсная характеристика цели, а также ее передаточная функция, полученная путем Фурье-преобразования импульсной характеристики;

2) собственные резонансы цели (изменяются фазовые сдвиги вносимые целью при облучении двумя когерентными гармоническими сигналами кратных частот);

3) интенсивность принимаемых сигналов на различных частотах.

Методы распознавания с помощью широкополосных сигналов основаны на использовании [1]:

1) импульса малой длительности и анализа его импульсной характеристики или передаточной функции после отражения, полученной Фурье-преобразованием импульсной характеристики;

2) структуры сжатого сигнала, которое представляет собой одномерное радиолокационное изображение цели (по дальности или скорости);

3) одномерной информации о турбинной модуляции, т. е. в структуре сжатого сигнала и флюктуация ЭПР.

В классификации проведенной выше, мы говорили, что имеется метод распознавания по узкополосным сигналам. К этой группе относится метод распознавания целей путем оценки их поперечных и продольных размеров по флюктуациям ЭПР, модуляционным эффектам турбин и шумовой модуляции отраженного сигнала и, кроме того, поляризационным отличиям отраженных сигналов.

Метод распознавания целей по модуляционным эффектам турбин и шумовой модуляции отраженного сигнала связан с наличием доплеровских составляющих, от вращающихся частей самолета в спектре сигнала.

Метод распознавания целей по поляризационным отличиям отражений основан на анализе поляризационных структур сигналов отраженных целями. Известно, что при облучении объектов сложной формы сигналом с линейной поляризацией принимаются два отраженных сигнала (с линейной и горизонтальной поляризацией). Один из них имеет поляризацию совпадающую с поляризацией зондирующего сигнала, т. е. коллинеарную поляризацию и поляризация второго отраженного сигнала ортогональна поляризации зондируемого сигнала, это так называемая перекрестная поляризация (см. рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 — Перекрестная поляризация сигналов Метод распознавания целей по интенсивности принимаемого сигнала. Сущность данного метода заключается в квантовании принятого сигнала в некотором элементе сканируемой поверхности, представленной в виде матрицы и последующим сравнением с эталонами.

Еще одним из методов, приведенных в классификации, является метод распознавания с помощью многочастотных сигналов, который в свою очередь включает методы, использующие импульсную характеристику и передаточную функцию эхосигнала распознаваемого объекта.

Распознавания радиолокационных целей путем описания их формы структурным методом. К нему относится метод:

использующий для распознавания собственные резонансы целей при облучении их сигналами с несколькими частотами;

использующий зависимость интенсивности отраженных сигналов от длины волны задающих сигналов, а также собственные резонансы целей;

распознавания космических радиолокационных объектов на основе анализа результатов многочастотных измерений ЭПР и их сравнения с эталонными данными;

использующий для распознавания синтез трехмерного отражения цели по ее ЭПР;

использующий для распознавания различные виды поляризации и зависимость интенсивности отраженных сигналов от длины волны;

использующий флюктуацию ЭПР вследствие случайных перемещений цели по траектории;

использующий интенсивность принимаемых сигналов от цели на разных частотах.

Первый метод основан на облучении радиолокационной цели (РЛЦ) сигналами с достаточно широким спектром или короткими радиоимпульсами, причем с длиной волны соответствующей резонансной области цели.

Что касается распознавания РЛЦ путем описания их формы структурным методом, то хочется сказать, что структуры изображения распознаваемого объекта описываются с помощью соответствующих грамматик. Этот метод основан на сходстве между структурной образов и синтаксисом языков, т. е. распознаваемые образы строятся из различных подобразов, подобно тому, как предложение строится из слов, а слова составляются из букв. Аналогом букв в структурном методе служит множество непроизводных элементов [2, 10].

Метод, использующий зависимость интенсивности отражающего сигнала от длины волны зондирующего сигнала, а также собственные резонансы целей. Этот метод базируется на фундаментальном физическом эффекте вторичного излучения объектов. Известно, что интенсивность отражения от каждого токопроводящего объекта зависит от его формы и размеров, а также длины волны РЛС. Увеличивая длину волны л до того когда л/2 будет соизмерима с длиной объекта будет наблюдаться резонанс, тем самым будет максимальная интенсивность отражений, а соответственно и значения ЭПР резко увеличатся.

Метод распознавания космических радиолокационных объектов на основе анализа результатов многочастотных измерений ЭПР и их сравнения с эталонными данными. Данный метод позволяет вычислить точную временную характеристику проводящих тел на всех частотах, включая наиболее сложную область резонанса.

Метод, использующий для распознавания синтез трехмерного отображения цели по ее ЭПР, основан на использовании сигналов с частотами в верхней части релеевской области и резонансной области рассеяния на частотах 10…200 МГц. При этом получаются собственные резонансы частоты, которые могут быть использованы для сингулярного анализа.

Метод, использующий для распознавания зависимость интенсивности отраженного сигнала от длины волны. Этот метод основан на сравнении модели записанной в памяти ЭВМ для конкретного типа объекта с реальной моделью цели. Но недостатком данного метода является то, что некоторые объекты могут приниматься за другие. Обязательным условием недопущения такого эффекта являются значительные отличия в форме объектов, что для распознавания радиолокационных целей не характерно [1, 6].

Метод выделения истинных целей от ложных по их ЭПР в многочастотной РЛС. Работы устройств, радиолокационного распознавания основанных на применении данного метода, основываются на том, что ЭПР объекта зависит, по крайней мере, от трех характеристик: частоты излучаемых сигналов, их поляризации и угла, под которым наблюдается цель. В случае простого объекта, например шар, амплитуда отраженных сигналов не зависит от величины курсового угла. Если объект сложный, например самолет, то амплитуда отраженных сигналов характеризуется большими переколебаниями на различных курсовых углах.

Метод, использующий флюктуации ЭПР вследствии перемещении цели по траектории. Для распознавания используются амплитудные характеристики отраженного сигнала, т. е. цель представляется в виде небольшого числа блестящих точек. Для данного метода необходимо выполнение следующего условия, что используемые длины волн для облучения РЛЦ должны быть на много меньше размеров летательного аппарата, т. е. соответствовать квазиоптической области рассеяния.

В данной подклассификации последним является метод, использующий интенсивность принимаемых сигналов от цели на разных частотах. Суть состоит в следующем: с помощью сигналов на нескольких частотах измеряются амплитуды отраженных сигналов РЛЦ и вычисляется разность амплитуд на различных частотах и, в зависимости от полученного результата, оцениваются поперечные размеры целей.

Наиболее широким в применении, в настоящее время, является метод распознавания с помощью широкополосных сигналов, к числу которого относятся методы распознавания, использующие импульсную характеристику цели при облучении импульсом очень малой длительности.

2.2 Анализ признаков, используемых при радиолокационном распознавании

Признаки радиолокационного распознавания разделяют по их физической природе на траекторные и сигнальные признаки. Траекторные признаки — это параметры траекторий целей, определяемые их тактико-техническими характеристиками.

Сигнальные признаки имеют отличия для активной и пассивной, однопозиционной и многопозиционной локации.

Сигнальные признаки активной однопозиционной локации классифицируют обычно по типу используемых зондирующих сигналов. Их подразделяют на:

1 признаки при узкополосном зондировании;

2 признаки при широкополосном, многочастотном и многодиапазонном зондировании.

Сигнал считается широкополосным если он, в отличии от узкополосного, обеспечивает согласованное разрешение элементов цели по дальности. Сигналы, излучаемые на нескольких несущих частотах, называют многочастотными, если наинизшая несущая значительно превышает интервалы между несущими частотами и многодиапазонными, если она одного порядка или менее этих интервалов.

Сигнальные признаки однопозиционной пассивной локации содержатся также в особенностях собственного излучения цели, ее радиоэлектронного оборудования.

Многопозиционность системы активно-пассивной локации с объединением информации на ЭВМ, при помощи высокопроизводительных линий связи, позволяет получать улучшенную информацию.

Совокупность признаков, необходимых для распознавания в тех или иных алфавитах классов образуют признаковые пространства или, иначе, рабочие словари признаков. Целесообразность совокупного выбора алфавитов классов, признаковых пространств и алгоритмов распознавания оценивают на основе известного системотехнического критерия «эффективность-стоимость».

Траекторные признаки. Учитывают закономерности движения одиночных и групповых целей различных классов, его характеристики и особенности. Так, к характеристикам баллистических целей относят координаты предполагаемых точек падения и старта, полученные в результате прямого и обратного прогноза, а также абсолютные величины ускорений (замедлений) при входе в плотные слои атмосферы.

При классификации аэродинамических объектов (самолетов, вертолетов, ракет, аэростатов) учитывают их полные скорости V, высоты Н и первые производные от этих параметров. Характеристики строя групповых целей, их число, интервалы по фронту и в глубину также могут служить признаками распознавания.

На рисунке 2.3 приведены области возможных значений высот Н и скоростей V воздушных целей различных классов. Признаки Н и V желательно использовать совместно из-за наличия определенной корреляции между ними.

Как видно из рисунка 2.3 признаки различных классов перекрываются, что требует привлечения наряду с ними сигнальных признаков. В тоже время, для эффективности использования располагаемой траекторией точность измерения траекторных параметров должна быть достаточно высокой [6, 10].

1) самолеты больших размеров;

2) самолеты средних размеров;

3) ракеты (крылатые ракеты типа АЛКМ);

4) вертолеты.

Рисунок 2.3 — Траекторные признаки

2.3 Сигнальные признаки однопозиционной активной локации

В качестве признаков распознавания РЛЦ, при их узкополосном зондировании можно использовать:

эффективные площади (ЭП) целей;

поляризационные признаки;

модуляционные признаки.

Эффективная площадь (ЭП) целей для локации ряда целей, приведенные в таблице 2.1.

В ней же приведены те же значения, выраженные в децибелах по отношению к ЭП равной 1 м²

значение ЭП в децибелах может быть оценена по формуле [1]:

где q2 — оценка усредненного энергетического отношения сигнал-шум;

rц [м] - оценка дальности;

Д — поправка на текущие условия;

U [м2] - потенциал РЛС.

Потенциал РЛС определяется выражением [1]:

где Э — энергия зондирующего сигнала (с учетом потерь в системе обработки);

N0 — спектральная плотность мощности шума.

G и {A[м2]} - коэффициент усиления передающей и эффективная площадь приемной антенны (м2) зависящее от углов отклонения луча относительно нормали к апертуре.

Таблица 2.1 — Примерные эффективные площади радиолокационных целей

Ориентировочные данные таблицы 2.1 неполно учитывают эффекты изменения ЭПР по диапазонам длин волн, в том числе эффекты резонансного вторичного излучения и дифракционного огибания волной цели при последовательном увеличении длины волны. Эти данные свидетельствуют о том, что усредненная ЭП является важным признаком распознавания.

Ряд факторов затрудняет, тем не менее, использование этого признака. К таким факторам относятся:

зависимость усредненного ЭП от выбора сектора телесных или ракурсных углов;

отличие измеряемых значений ЭП от усредненных при малом времени усреднения;

зависимость результатов измерений ЭП от потенциала РЛС;

возможности противолокационной имитации и маскировки ЭП.

Вывод

В настоящее время теория радиолокационного распознавания достаточно проработана как в теоретическом, так и в практическом плане. Использование того или иного метода радиолокационного распознавания зависит от возможнотстей РЛС. А именно (для выделения сигнальных признаков): параметров радиолокационного сигнала (частота f, длительность импульса, скважность Q), характеристик передающего устройства (импульсная и средняя мощность передатчика), приемного устройства (ДfBX — ширина полосы пропускания входных целей приемника, динамический диапазон), особенностей обработки сигнала (время накопления, преобразования, выделение сигнала). Для выделения траекторных признаков — разрешающие способности по, измеряемые РЛС параметры: дальность, скорость, высота и т. д.

Анализ рисунка 2.3 показал, что при решении задачи РЛР по траекторным параметрам (признакам) возникают области «неопределенности класса», где возможно отнесение одного класса к другому или наоборот. Данное обстоятельство требует привлечения наряду с ними сигнальных признаков.

3 Алгоритмы распознавания. Возможности МСНР 9С32 по выделению сигнальных признаков

3.1 Алгоритм распознавания, реализованный в ЗРК 9К81

Алгоритм распознавания предназначен для определения типа цели или уточнения этого признака по информации, поступающей от РЛС-КО и РЛС-СО (9С15, 9С19).

Задачи алгоритма определения типа цели:

1) отнесение цели к одному из трех классов:

аэродинамическая цель;

баллистическая цель типа «Ланс»;

баллистическая цель типа «Першинг»;

2) запись признака типа цели в зону МТА СЦВМ-А ПБУ 9С457;

3) запись в зону МТА признака окончательного определения типа цели.

Алгоритм определения типа включается при получении каждой отметки и каждого сообщения о трассе ВЦ до тех пор, пока по обрабатываемой трассе не будет записан признак окончательного определения типа цели.

Алгоритмическое описание принципа распознавания по траекторным параметрам, реализованное в ПБУ 9С457, представлена блок-схемой (см. приложение А).

В алгоритме определения типа цели принята следующая логика выработки признака типа цели:

1 Если Hmin > 24,4 км или Hmax? 100 км, то Н сравнивается с пороговым значением Нпор.

Если Н? Нпор, то цели присваивается признак БЦ.

Признак Нпор вычисляется в зависимости от дальности трассы D следующим образом:

(3.1)

2 Если Н? 24,4 км, то вычисляется максимальная высота траектории по формуле:

(3.2)

где VH — значение вертикальной скорости цели;

g — ускорение свободного падения (g = 9,8 м/с2),

при Н > 100 км, цели присваивается признак БЦП.

3 Если Н < Нпор, то вертикальная скорость сравнивается с порогом Vпор.

При |VH|? Vпор — цели присваивается признак БЦ. Порог Vпор вычисляется в зависимости от трассы D (дальности) следующим образом:

(3.3)

4 Если |VH| < Vпор, цели присваивается признак АЦ. Тип цели считается окончательно определен, если выполнены условия:

­ присвоен признак БЦ или БЦП;

­ одновременно выполняются два условия:

Н? 7 км;

|VH|? 100 м/с,

то принимается решение — тип цели АЦ.

3.2 Выбор и обоснование признакового пространства для формирования требуемого алфавита классов

Рассматривая во второй главе признаки распознавания, было отмечено, что все признаки принято подразделять, в общем, на траекторные и сигнальные. В частности в ЗРК 9К81 на ПБУ 9С457 реализованы только траекторные признаки. Использование сигнальных признаков в данном комплексе при разработке не рассматривалось, т. к. основную задачу, которую решало ЗРС С-300 В, при боевой работе, было своевременное уничтожение БЦ типа «Першинг» и «Ланс». В настоящее время данный ЗРК решает задачу по уничтожению различных воздушных целей на всех диапазонах высот и дальностях полета, в том числе и вертолетов. Не маловажно при решении боевых задач является своевременное обнаружение пусков ПРР, применяемых по стартовой позиции элементов ЗРК. Поэтому, для решения задачи распознавания выбранного алфавита классов необходимо учитывать и сигнальные признаки, которые можно выделить при предварительной обработке эхо сигнала на промежуточных частотах в МСНР 9С32. Большой интерес представляет информация заложенная в комплексной огибающей эхосигнала на ПЧ1. Где посредством БПФ, а также преобразования Габора возможно выделение турбинных, винтомоторных, а также лопастных составляющих от вращающихся элементов конструкции ЛА.

Анализируя спектральную структуру на ПЧ1 (36 МГц) посредством БПФ возможно распознавание вертолетов и самолетов носителей ПРР. В нашем случае наибольший интерес представляет спектральная структура комплексной огибающей эхосигналов от вертолетов (см. рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 — Спектр сигнала отраженного от приближающегося вертолета Для распознавания пусков ПРР необходимо произвести спектрально-временную структуру комплексной огибающей. Это возможно реализовать через частотно временное преобразование Габора. Поэтому в качестве признакового пространства могут быть использованы траекторные признаки в совокупности с сигнальными. Последнее повысит достоверность распознавания, а также увеличит алфавит классов. В качестве меры достоверности в теории информации применяется специальная характеристика, называемая энтропией (3.3).

(3.11)

где H (X) — энтропия события Х.

Анализируя данную формулу, мы видим, что чем больше признаков цели, тем выше энтропия, т. е. увеличивается достоверность распознавания цели.

3.3 Описание алгоритма, учитывающего сигнальные признаки

Под алгоритмом понимается последовательность действий, приводящих к желаемому результату.

Желаемым результатом, для нашего алгоритма распознавания, является решение об отнесении выделенной цели к одному из принятых классов:

— АЦ;

— БЦ;

— БЦП;

— ВИНТ;

— ПРР.

Рассмотрим действия алгоритма.

1-е действие. Ввод исходных данных, которые поступают:

от РЛС-КО, РЛС-СО (дальность, высота, азимут, угол места и курсовой параметр);

от МСНР 9С32 (наличие или отсутствие ВМ, скорость цели).

Эти исходные данные записываются в зону МТА оперативного запоминающего устройства СЦВМ-А ПБУ 9С457.

2-е действие. Расчёт пороговых значений для определения. Данная операция осуществляется процессором СЦВМ-А, а выражение для расчета пороговых значений хранятся в долговременном запоминающем устройстве СЦВМ-А.

3-е действие. Проверка условия. Если это условие выполняется, то происходит вычисление по формуле 3.1. Далее производится проверка 4-го условия. В противном случае пятого.

4-е действие. Проверка условия соответствия высоты цели пороговому значению. Условие имеет вид: (). Если данное условие выполняется, то вычисляется максимальная высота траекторий по формуле 3.2 и в последующем производится проверка шестого условия. В противном случае вычисляется пороговое значение скорости по формуле 3.3 и проверка условия — действие 7.

5-е действие. Проверка условия наличия или отсутствия ВМ. В случае, если не выполняется условие действия 3, то происходит проверка условия наличия или отсутствия ВМ и курсового параметра цели близкого к нулю. В этом случае принимается решение, что цель — ПРР. В противном случае вычисляется радиальная скорость цели:

где — скорости изменения координат цели X, Y, H.

Далее происходит проверка условия: .

6-е действие. Проверка условия. Если условие выполняется, то принимается решение, что цель — БЦП. В противном случае, вычисляется, согласно выражения 3.3. Далее выполняется действие 7.

7-е действие. Проверка условия:. Если данное условие выполняется, то происходит проверка условия 9. В противном случае, принимается решение, что цель аэродинамическая.

8-е действие. Проверка условия:. Если скорость цели меньше (), то принимается решение, что цель — это вертолет. В противном случае — АЦ.

9-е действие. Проверка условия наличия или отсутствия ВМ. Если ВМ отсутствует, то принимается решение, что цель — БЦ. В противном случае — АЦ.