Опубликовать статью Вход и регистрация
Расширенный поиск
Разделы статьи

ВАРИАНТ УЛУЧШЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ИМПУЛЬСНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЗДУШНОГО ОБЪЕКТА

Научная статья
Митрофанов Д.Г.
Выпуск: № 9 (40), 2015
Опубликована:
2015/10/15
PDF

Митрофанов Д.Г.

Доктор технических наук, Общество с ограниченной ответственностью "Смоленский научно-инновационный центр радиоэлектронных систем "ЗАВАНТ"

ВАРИАНТ УЛУЧШЕНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ИМПУЛЬСНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОЗДУШНОГО ОБЪЕКТА

Аннотация

В статье изложен один из подходов к улучшению разрешающей способности в структуре импульсной характеристики, сформированной из отраженных от объекта сигналов с перестройкой частоты. Приведены результаты моделирования предложенного способа.

Ключевые слова: сигналы с перестройкой частоты, импульсная характеристика.

Mitrofanov D.G.

Doctor of Technical Sciences, Limited liability company of «Smolensk science-innovation radio electronic systems center «Zavant»

THE IMPROVEMENT VERSION OF INFORMATION FEATURES OF AN AIR OBJECT IMPULSE CHARACTERIC

Abstract

One of the approaches to the improvement of the resolution capability in the structure of impulse characteristic formed of reflected from an Air Object signals with frequency tuning is stated. The results of suggested modeling are brought.

Keywords: signals with frequency tuning, impulse characteristic

В интересах повышения линейной разрешающей способности в радиальном направлении разработано множество высокоинформативных радиолокационных станций (РЛС) с перестройкой несущей частоты (ПНЧ) от импульса к импульсу [1-5], во многих из которых последовательные излучения в эфир сверхвысокочастотных импульсов на одной несущей частоте происходит неэквидистантно и с большими интервалами. Эти РЛС обладают повышенной помехоустойчивостью, так как несущая частота каждого очередного излучаемого импульса является случайной, что не позволяет влиять извне на эффективность работы таких станций. Случайный порядок использования частот в РЛС с перестройкой несущей частоты является главным преимуществом указанного режима излучения, исключающим постановку прицельных помех. В то же время аэродромные, в том числе и посадочные РЛС крайне нуждаются в настоящее время в возможностях по идентификации воздушных объектов (ВО), а значит и в режимах с ПНЧ. Применение сверхкоротких импульсов негативно влияет на дальность действия РЛС, чего нельзя сказать о РЛС, применяющих сигналы с перестройкой частоты (СПЧ).

При использовании СПЧ разрешающую способность определяет диапазон перестройки частоты Fпер, который назначен для излучения сигналов в соответствии с заранее выработанными требованиями к конкретной РЛС. При этом границы диапазона могут быть гибкими, то есть скользить по шкале частот, оставляя неизменной полосу частот, принадлежащую диапазону Fпер. Увеличение числа частот не улучшает разрешения, а только расширяет окно просмотра отражений. Обычно число частот в пачке СПЧ выбирают максимально возможным с учетом минимально допустимой скважности и времени, в течение которого ВО не изменяет своего пространственно-углового положения (ПУП) относительно РЛС. Этот интервал времени носит название интервала угловой корреляции (ИУК) или же интервала корреляции траекторных нестабильностей (ТН) полета ВО. Его величина оценивается временем порядка 5 мс [6]. Считают, что в течение ИУК с доверительной вероятностью 0,95 можно рассчитывать на неизменное ПУП ВО относительно РЛС. Соответственно и формируемая методом обратного преобразования Фурье из последовательности СПЧ импульсная характеристика (ИХ) ВО обладает максимальной информативностью. Таким образом, для каждого наперед заданного диапазона перестройки частоты существует объективно обусловленная предельная разрешающая способность по времени в ИХ [4-9]. При этом достигаемой разрешающей способности в ИХ может быть недостаточно для идентификации ВО по структуре этой ИХ, так как отдельные импульсные отклики отражений от элементов конструкции ВО будут сливаться в более крупный неинформативный отклик. Поэтому существует противоречие между необходимостью повышения разрешающей способности в ИХ и наличием ограничений по величине диапазона перестройки Fпер в соответствии с характеристиками РЛС и по времени накопления отраженных СПЧ ввиду проявления ТН при полете в турбулентности.

В полном соответствии с этими ограничениями и допущениями ранее был предложен и апробирован способ выявления ТН ВО по структуре его ИХ [10], в котором предложено использовать две абсолютные ИХ, сформированные с разделением по времени на 10 мс или более. Этот способ предполагает наличие постоянного изменения ракурса ВО относительно РЛС, ввиду чего использует ИУК, равный 5 мс. В рамках данного способа с привязкой к наименьшим длительности пачки и скважности величина dt временного элемента разрешения в ИХ всегда равна dt=1/ Fпер, а разрешающая способность Dt по времени при цифровой обработке равна Dt=1/(2Fпер). В реальности при полете ВО в турбулентной атмосфере существуют интервалы времени, на которых ракурс ВО относительно РЛС не изменяется. Причиной углового замирания ВО относительно РЛС является наличие ТН полета, в условиях которых угловая скорость рысканий планера летательного аппарата может компенсировать угловую скорость изменения ракурса ВО, являющуюся следствием его перемещения по прямолинейной траектории [11-13]. На этих интервалах время фиксации отражений на разных частотах можно увеличить, что при правильном модифицированном использовании диапазона перестройки приведет к возрастанию разрешающей способности. Однако подход к искусственному адаптивному увеличению диапазона перестройки частоты и обоснованному увеличению интервала накопления отраженных СПЧ до сих пор не предложен.

Целью исследований являлось нахождение подхода (способа) к формированию ИХ ВО, при котором можно повысить разрешающую способность за счет синтезированного (непрямого) увеличения диапазона перестройки частоты на интервалах пространственно-углового замирания (ПУЗ) ВО.

В основу такого подхода предлагается положить эффект независимости структуры ИХ от смещения диапазона перестройки частоты Fпер  по шкале частот. Это позволяет сравнивать полученные на смещенных диапазонах ИХ между собой для установления факта наличия или отсутствия углового перемещения ВО относительно РЛС. При ПУЗ ВО относительно РЛС сформированные указанным способом ИХ должны отличаться несущественно. В условиях интенсивного изменения ракурса ИХ должны отличаться ощутимо.

С учетом вышеприведенных рекомендаций усовершенствованный способ формирования ИХ ВО можно описать следующим образом.

Излучение СПЧ проводят пачками по N=2k сигналов. Излучаемые пачки нумеруют по очередности излучения. В нечетных по номеру пачках СПЧ изменяют частоты от  f0  до  (f0+Fпер), где f0 – основная несущая частота, а в четных пачках - от (f0+Fпер) до (f0+2Fпер), оставляя интервал межимпульсной перестройки =Fпер/(2k-1) неизменным. Перестройку частоты импульсов осуществляют в пределах единиц процентов от основной частоты f0, определяющей сантиметровый диапазон излучения. Например, при основной частоте излучения 10 ГГц перестройка может осуществляться в диапазоне 150 или 300 МГц.

Излучение каждой пачки СПЧ проводят в течение ИУК, равного 5 мс. Порядок использования частот заполнения импульсов каждой пачки изменяют по неповторяющемуся случайному закону, который фиксируют в запоминающем устройстве РЛС.

В режиме автоматического сопровождения ВО после приема отраженных СПЧ и проведения их согласованной фильтрации детектируют сигналы в пиках откликов фильтров, раскладывая их на квадратурные составляющие Im и Re. Оцифровывают квадратурные составляющие и формируют из них массивы отражений (причем для каждой z-й пачки создают свой комплексный массив М1z), в которых переставляют параметры в порядке монотонного возрастания частоты. На основе обратного быстрого преобразования Фурье (БПФ) в сочетании с компенсацией дальностных фазовых набегов методом минимума энтропии [14] получают из комплексных данных каждого массива Мz импульсную характеристику ВО и сохраняют в запоминающем устройстве ее модульные значения в виде соответствующего z-го массива Jz.

Делят  всю последовательность пачек СПЧ на пары смежных пачек. Для каждой j-й пары смежных ИХ, полученных из соответствующих нечетных и четных пачек СПЧ, находят оценочный параметр Аj, вычисляемый по формуле 01-10-2015 15-13-06, где Xjn1 - величина амплитуды импульсного отклика в n-м элементе первой ИХ j-й пары; Xjn2 - величина амплитуды импульсного отклика в n-м элементе второй ИХ в j-й паре. Сравнивают j-е оценочные параметры Аj с пороговым значением Апор, и при выполнении условия Аj£ Апор  составляют из массивов М1z, соответствующих j-й паре СПЧ массив М2j из удвоенного числа элементов 2N. Проводят с элементами массива М2j операцию обратного БПФ и получают ИХ повышенной информативности (с удвоенным разрешением).

Сущность предлагаемого подхода заключается в том, что амплитудно-фазовая характеристика отражений и соответствующая ИХ в большей степени определяется геометрической архитектурой ВО, взаимным расположением рассеивающих центров (РЦ) на его поверхности и в меньшей степени - основной длиной волны l излучения, если изменения l не выходят за пределы квазиоптической области рассеяния [15]. Вследствие этого изменения основной длины волны на десятки-сотни МГц в сантиметровом диапазоне волн не должно приводить к изменению структуры ИХ при ПУЗ ВО. На этом принципе и основан  предлагаемый способ формирования ИХ. Он предполагает сравнение структуры двух ИХ, полученных на двух смежных интервалах времени. При поворотах ВО его ИХ стечением времени трансформируется, что предложено фиксировать с помощью введенного параметра А.

Для проверки технического эффекта улучшения информационных свойств ИХ, полученной новым способом, было проведено математическое моделирование. Моделировалось отражение СПЧ от планера модели самолета Ил-86. Основная частота излучение была равна f0=10 ГГц. Диапазон перестройки составлял Fпер=150 МГц. Смещение диапазона перестройки в нечетных и четных пачках СПЧ равнялось величине Fпер. На рис. 1 а,б представлены ИХ модели самолета Ил-86 при курсовом угле q=38о, полученные по двум пачкам смещенных по шкале частот отраженных СПЧ.

01-10-2015 15-13-51

Рис. 1 - Варианты импульсных характеристик модели самолета Ил-86

Легко заметить, что структура двух этих ИХ сильно коррелирует. Импульсные отклики 1,2,3,4 и 5 имеют одинаковое временное положение и приблизительно совпадающие формы. Некоторые отличия просматриваются только в структуре вершины 5-го отклика. Несмотря на это, значение параметра А, вычисленное по этим двум ИХ, будет очень мало. Пороговое значение параметра Апор должно для конкретной РЛС определяться экспериментально, так как оно зависит от используемого числа частот N и величины диапазона перестройки Fпер. Объединение двух пачек СПЧ в одну пачку удвоенных размеров на интервале ПУЗ ВО приводит к формированию ИХ, показанной на рис. 1 в. Как видно, бывший отклик 5 вследствие увеличения разрешающей способности разделился на два отклика 7 и 6, что более достоверно отображает геометрию планера самолета Ил-86.

Аналогичным образом получена ИХ модели Ил-86 при курсовом угле q=88о  (фиг. 2). Видно, что при неизменности положения и амплитуд импульсных откликов 9,10,11,12 от РЦ на планере модели самолета Ил-86 увеличение диапазона перестройки Fпер до 300 МГц на интервале его ПУЗ ведет к разделению крупного отклика 8 на 3 отклика 13,14 и 15. Это явно повышает информативность ИХ, представленной на эпюре в рис. 2, по сравнению с ИХ ВО на эпюрах а и б рис. 2.

Таким образом, математическое моделирование импульсных характеристик подтвердило наличие информационного выигрыша, предусмотренного новым способом. Понятно, что увеличение числа импульсных откликов от РЦ в ИХ наблюдается не на всех ракурсах и зависит от конкретных условий зондирования и сложности ВО.

Предложенный способ может быть рекомендован диспетчерским службам аэропортов, контролирующим безопасность взлета и посадки воздушных судов различного назначения, а также другим службам, опирающимся на результаты отождествления ВО.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках гранта № 14-07-00193.

01-10-2015 15-14-17

Рис. 2 - Варианты импульсных характеристик модели самолета Ил-86

Литература

  1. Митрофанов Д.Г. Радиолокатор с устройством двухуровневого нейросетевого распознавания воздушных объектов // Измерительная техника. - 2007. - № 2. - С. 58-62.
  2. Патент РФ № 2358288. Многочастотная радиолокационная станция с инверсным синтезированием апертуры и двухуровневым распознаванием целей. Опубл. 10.06.2009. БИ № 16.
  3. Патент РФ № 2412451. Радиолокационная станция с перестройкой частоты,  инверсным  синтезированием  апертуры и  двухуровневым  нейросетевым  распознаванием объектов по совокупности  признаков. Опубл. 20.02.2011. БИ № 5.
  4. Патент РФ № 2439611. Радиолокационная станция с поимпульсной перестройкой несущей частоты, нейросетевым распознаванием объектов и инверсным синтезированием апертуры антенны. Опубл. 10.01.2012. БИ № 1.
  5. Патент РФ № 2513041. Устройство идентификации воздушных объектов по структуре дальностного портрета. Опубл. 20.04.2014. БИ № 11.
  6. Майоров Д.А., Савостьянов В.Ю., Митрофанов Д.Г. Измерение радиальной скорости воздушных объектов в режиме перестройки частоты // Измерительная техника. - 2008. - № 2. - С. 43-47.
  7. Митрофанов Д.Г., Прохоркин А.Г., Перехожев В.А. Способ оценки траекторных нестабильностей полета объекта по последовательности дальностных портретов // Информационно-измерительные и управляющие системы. - 2012. - № 1. - Т. 10. - С. 19-25.
  8. Радиолокационные системы. Справочник. Основы построения и теория/ Под ред. Я.Д. Ширмана. М., Радиотехника. 2007. 510 с.
  9. Митрофанов Д.Г. Комплексный адаптивный метод построения радиолокационных изображений в системах управления двойного назначения // Известия РАН. Теория и системы управления. - 2006. - № 1. - С. 101-118.
  10. Патент РФ № 2562060. Способ внешнего радиолокационного выявления факта наличия траекторных нестабильностей полета у воздушного объекта по структуре его импульсной характеристики. Опубл. 7.08.2015. БИ № 25.
  11. Митрофанов Д.Г. Метод построения радиолокационных изображений аэродинамических летательных аппаратов // Полет. - 2006. - № 11. - С. 52–60.
  12. Митрофанов Д.Г. Формирование двумерного радиолокационного изображения цели с траекторными нестабильностями полета // Радиотехника и электроника. РАН. - 2002. - № 7. - С. 852–859.
  13. Митрофанов Д.Г., Прохоркин А.Г., Нефедов С.И. Измерение габаритов летательных аппаратов в условиях турбулентности на основе инверсного синтезирования апертуры // Измерительная техника. - 2008. - № 8. - С. 24-28.
  14. 14. Патент РФ № 2326402. Способ измерения радиальной скорости воздушной цели в режиме перестройки частоты от импульса к импульсу. Опубл. 10.06.2008. БИ № 16.
  15. Митрофанов Д.Г., Майоров Д.А., Кичулкин Д.А., Бортовик В.В. Получение аналитического описания импульсной характеристики летательного аппарата в интересах обеспечения безопасности и контроля воздушного пространства. Смоленск: Смоленский филиал МИИТ. Проблемы безопасности Российского общества. - 2014. - № 3/4. - С. 248-261.

References

  1. Mitrofanov D.G. Radiolokator s ustrojstvom dvuhurovnevogo nejrosetevogo raspoznavanija vozdushnyh ob#ektov // Izmeritel'naja tehnika. - 2007. - № 2. - S. 58-62.
  2. Patent RF № 2358288. Mnogochastotnaja radiolokacionnaja stancija s inversnym sintezirovaniem apertury i dvuhurovnevym raspoznavaniem celej. Opubl. 10.06.2009. BI № 16.
  3. Patent RF № 2412451. Radiolokacionnaja stancija s perestrojkoj chastoty, inversnym sintezirovaniem apertury i dvuhurovnevym nejrosetevym raspoznavaniem ob#ektov po sovokupnosti priznakov. Opubl. 20.02.2011. BI № 5.
  4. Patent RF № 2439611. Radiolokacionnaja stancija s poimpul'snoj perestrojkoj nesushhej chastoty, nejrosetevym raspoznavaniem ob#ektov i inversnym sintezirovaniem apertury antenny. Opubl. 10.01.2012. BI № 1.
  5. Patent RF № 2513041. Ustrojstvo identifikacii vozdushnyh ob#ektov po strukture dal'nostnogo portreta. Opubl. 20.04.2014. BI № 11.
  6. Majorov D.A., Savost'janov V.Ju., Mitrofanov D.G. Izmerenie radial'noj skorosti vozdushnyh ob#ektov v rezhime perestrojki chastoty // Izmeritel'naja tehnika. - 2008. - № 2. - S. 43-47.
  7. Mitrofanov D.G., Prohorkin A.G., Perehozhev V.A. Sposob ocenki traektornyh nestabil'nostej poleta ob#ekta po posledovatel'nosti dal'nostnyh portretov // Informacionno-izmeritel'nye i upravljajushhie sistemy. - 2012. - № 1. - T. 10. - S. 19-25.
  8. Radiolokacionnye sistemy. Spravochnik. Osnovy postroenija i teorija/ Pod red. Ja.D. Shirmana. M., Radiotehnika. 2007. 510 s.
  9. Mitrofanov D.G. Kompleksnyj adaptivnyj metod postroenija radiolokacionnyh izobrazhenij v sistemah upravlenija dvojnogo naznachenija // Izvestija RAN. Teorija i sistemy upravlenija. - 2006. - № 1. - S. 101-118.
  10. Patent RF № 2562060. Sposob vneshnego radiolokacionnogo vyjavlenija fakta nalichija traektornyh nestabil'nostej poleta u vozdushnogo ob#ekta po strukture ego impul'snoj harakteristiki. Opubl. 7.08.2015. BI № 25.
  11. Mitrofanov D.G. Metod postroenija radiolokacionnyh izobrazhenij ajerodinamicheskih letatel'nyh apparatov // Polet. - 2006. - № 11. - S. 52–60.
  12. Mitrofanov D.G. Formirovanie dvumernogo radiolokacionnogo izobrazhenija celi s traektornymi nestabil'nostjami poleta // Radiotehnika i jelektronika. RAN. - 2002. - № 7. - S. 852–859.
  13. Mitrofanov D.G., Prohorkin A.G., Nefedov S.I. Izmerenie gabaritov letatel'nyh apparatov v uslovijah turbulentnosti na osnove inversnogo sintezirovanija apertury // Izmeritel'naja tehnika. - 2008. - № 8. - S. 24-28.
  14. Patent RF № 2326402. Sposob izmerenija radial'noj skorosti vozdushnoj celi v rezhime perestrojki chastoty ot impul'sa k impul'su. Opubl. 10.06.2008. BI № 16.
  15. Mitrofanov D.G., Majorov D.A., Kichulkin D.A., Bortovik V.V. Poluchenie analiticheskogo opisanija impul'snoj harakteristiki letatel'nogo apparata v interesah obespechenija bezopasnosti i kontrolja vozdushnogo prostranstva. Smolensk: Smolenskij filial MIIT. Problemy bezopasnosti Rossijskogo obshhestva. - 2014. - № 3/4. - S. 248-261.