RU157396U1 - Устройство распознавания винтовых летательных аппаратов - Google Patents

Abstract

Устройство распознавания винтовых летательных аппаратов, содержащее последовательно соединенные блок определения пиков, блок череспериодного вычитания (ЧПВ), пороговое устройство (ПУ), блок определения периода, блок базы данных и индикатор, а также блок быстрого преобразования Фурье (БПФ), причем вход блока БПФ и второй вход блока ЧПВ соединены с антенной, а второй выход ПУ соединен со вторым входом индикатора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок формирования матрицы данных, блок формирования вектора весовых коэффициентов (ВВК) и блок формирования спектральной оценки, при этом вход блока формирования матрицы данных соединен с антенной, а выход - с входом блока формирования ВВК, выход которого соединен с первым входом блока формирования спектральной оценки, второй вход которого соединен с выходом блока БПФ, а выход - с входом блока определения пиков.

Description

Полезная модель относится к радиолокации и может быть использована в обзорных радиолокационных станциях (РЛС) разведки, обеспечивающих мониторинг воздушной обстановки для распознавания и классификации летательных аппаратов (ЛА) с вращающимися элементами (вертолетов, винтовых самолетов).

Для качественного информационного обеспечения в РЛС необходимо разрешить возникающие противоречие: адекватно оценивать воздушно-целевую обстановку в зоне ответственности РЛС при ограниченном времени на принятие решения. Своевременная и адекватная оценка обстановки невозможна без достоверного распознавания класса (типа) целей, особенно наблюдаемых на встречных (атакуемых) курсах и на максимальном удалении от РЛС. Повысить эффективность распознавания и классификации винтовых ЛА возможно за счет использования сигнальных признаков радиолокационных сигналов, а именно, модуляционных признаков вторичного излучения (вторичная модуляция). Эти признаки возникают при приеме радиолокационного сигнала, отраженного от динамических элементов конструкции ЛА. Это обусловлено наличием в отраженном от винтового ЛА радиолокационном сигнале турбинной или пропеллерной модуляции. Явление проявляется в возникновении в отраженном радиолокационном сигнале помимо «планерной» составляющей дополнительных спектральных составляющих из-за амплитудно-фазовой модуляции зондирующего сигнала вращающимися элементами объекта - лопастями винтов пропеллерного самолета или вертолета, лопатками компрессора или турбины двигателя турбореактивного самолета.

Известны устройства для распознавания объектов с вращающимися элементами [1, 2], аналогичные по назначению. Недостатком данных устройств является малая вероятность распознавания и классификации винтовых ЛА по причине ограниченного предельного разрешения по частоте Доплера.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по техническому решению к предлагаемой полезной модели является устройство для обнаружения и классификации летящих и зависших вертолетов [3], (структурная схема которого показана на фигуре 1), содержащее последовательно соединенные блок быстрого преобразования Фурье (БПФ) 1, блок определения пиков 2 в доплеровском спектре, блок череспериодного вычитания (ЧПВ) 3, пороговое устройство (ПУ) 4, блок определения периода 5, блок базы данных 6 и индикатор 7, при этом сигнал, принятый антенной (не показанной на фигуре 1), поступает на вход блока БПФ 1 и на второй вход блока ЧПВ 3, а второй выход ПУ 4 соединен со вторым входом индикатора 7.

Работа известного устройства основана на обработке и анализе отражений зондирующего радиосигнала от лопастей несущего винта ЛА, принятых антенной (сигнал во временной области), которые в блоке БПФ 1 подвергаются процедуре быстрого преобразования Фурье. На основании полученного доплеровского спектра в блоке 2 определяется частота Доплера, соответствующая радиальной скорости движения корпуса ЛА относительно антенны РЛС. Для компенсации сигнала, отраженного от корпуса вертолета, с блока определения пиков 2 сигнал подается на первый вход блока ЧПВ 3, на второй вход которого поступает сигнал с антенны. Компенсация составляющей сигнала (сигнал, отраженный от корпуса ЛА) пятикратной системой череспериодного вычитания в блоке ЧПВ 3 осуществляется за счет подавления сигналов, неизменных по амплитуде от периода к периоду повторения. В результате на выходе блока ЧПВ 3 после подавления сигнала, отраженного от корпуса, в рассмотрении остается лишь сигнал, отраженный от несущего винта. Далее сигнал поступает на ПУ 4, в котором происходит определение максимального значения амплитудной модуляции в обработанном сигнале. Появление в обработанном сигнале существенных спектральных пиков свидетельствует о наличии ЛА, так как данные

максимальные значения амплитудной модуляции сигнала соответствуют сигналам, отраженным от лопастей несущего винта вертолета. С ПУ 4 сигнал поступает на блок 5, в котором определяется период амплитудной модуляции. Полученное значение периода амплитудной модуляции поступает в блок базы данных 6 для сравнения с данными базы и определения модели вертолета на основе анализа. Результаты анализа выводятся на индикатор 7.

Недостатком вышеуказанного устройства является малая вероятность распознавания винтовых ЛА вследствие ограниченного предельного разрешения по частоте Доплера. Оно определяется релеевским пределом разрешения, когда в отраженном сигнале помимо планерной спектральной составляющей содержатся дополнительные спектральные составляющие по частоте Доплера, отраженные от динамических элементов конструкции ЛА (лопастей винтов, пропеллеров, лопаток компрессоров и турбин и т.д.) и сосредоточенные в одном или в двух смежных фильтрах БПФ. Особенно это характерно для ЛА, имеющих близкий к нулю (атакуемый) ракурсный угол, когда проекция вектора скорости от динамических элементов конструкции ЛА на линию визирования радиолокатора (радиальная скорость) относительно радиальной скорости ЛА мала (под ракурсом наблюдения понимается угол между строительной осью ЛА и направлением на радиолокатор).

Для разрешения спектральных составляющих вторичной модуляции необходимо обеспечить выполнение условия раздельного наблюдения компонент спектра в несмежных доплеровских фильтрах, расположенных в блоке БПФ 1.

Достигаемый технический результат - повышение вероятности распознавания и классификации винтовых ЛА.

Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные блок определения пиков 2, блок ЧПВ 3, ПУ 4, блок определения периода 5, блок банка (в прототипе - базы) данных 6 и индикатор 7, а также блок БПФ 1, причем вход блока БПФ 1 и второй вход блока ЧПВ 3 соединены с антенной, а второй выход ПУ 4 соединен со вторым входом индикатора 7, дополнительно введены блок формирования матрицы данных 8, блок формирования вектора весовых коэффициентов (ВВК) 9 и блок формирования спектральной оценки 10, при этом вход блока формирования матрицы данных 8 соединен с антенной, а выход - с входом блока формирования ВВК 9, выход которого соединен с первым входом блока формирования спектральной оценки 10, второй вход которого соединен с выходом блока БПФ 1, а выход - с входом блока определения пиков 2.

На фигуре 2 представлена структурная схема предлагаемого устройства, где обозначено:

1 - блок БПФ;

2 - блок определения пиков;

3 - блок ЧПВ;

4 - ПУ;

5 - блок определения периода;

6 - блок банка данных;

7 - индикатор;

8 - блок формирования матрицы данных;

9 - блок формирования ВВК;

10 - блок формирования спектральной оценки.

Устройство распознавания винтовых летательных аппаратов содержит блок БПФ 1, блок определения пиков 2, блок ЧПВ 3, ПУ 4, блок определения периода 5, блок банка данных 6, индикатор 7, блок формирования матрицы данных 8, блок формирования ВВК 9 и блок формирования спектральной оценки 10, причем вход блока БПФ 1, второй вход блока ЧПВ 3 и вход блока формирования матрицы данных 8 соединены с антенной, (не показанной на фигуре 2), а выход блока формирования матрицы данных 8 соединен с входом блока формирования ВВК 9, выход которого соединен с первым входом блока формирования спектральной оценки 10, второй вход которого соединен с выходом блока БПФ 1, а выход - с последовательно соединенными блоком определения пиков 2, блоком ЧПВ 3, ПУ 4, блоком определения периода 5, блоком банка данных 6 и индикатором 7, второй вход которого соединен со вторым выходом ПУ 4.

Блок банка данных 6 представляет собой разновидность информационной системы, в которой реализованы функции централизованного хранения и накопления обрабатываемой информации [4].

Блок формирования матрицы данных 8 представляет собой корреляционную матрицу входных данных [5].

Блок формирования ВВК 9 оптимизирует набор весовых коэффициентов фильтров (пространственных, частотных или временных) по заданному критерию эффективности [6].

Блок формирования спектральной оценки 10 вычисляет спектральную функцию от частоты [7, стр. 255].

Работа заявляемого устройства основана на применении современных методов цифрового спектрального анализа, в частности, авторегрессионного [7, стр. 252] для выявления дополнительного сигнального признака радиолокационного распознавания, а именно, для выявления в отраженном сигнале модуляционных признаков вторичного излучения, возникающих в процессе взаимного перемещения динамических элементов конструкции ЛА.

Применение метода авторегрессионного оценивания обусловлено более высокой разрешающей способностью по частоте по сравнению с классическими методами, основанными на преобразование Фурье благодаря использованию математической модели для анализируемого сигнала на коротком временном интервале.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Отраженный от винтовых ЛА и принятый антенной РЛС сигнал оцифровывается и поступает на второй вход блока ЧПВ 3, на вход блока БПФ 1, где он подвергается процедуре быстрого преобразования Фурье, и на вход блока формирования матрицы данных 8, где формируется массив данных от принимаемых сигналов для последующей обработки.

С выхода блока формирования матрицы данных 8 сигнал поступает на вход блока формирования ВВК 9, где происходит решение оптимизационной задачи на основе современных методов цифрового спектрального анализа (в частности, авторегрессионного), то есть выполняется поиск таких весовых коэффициентов, при которых модель сигнала наиболее близка к наблюдаемому сигналу.

Сигнал с выхода блока формирования ВВК 9 подается на первый вход блока формирования спектральной оценки 10, где формируется спектральная функция (так называемый «псевдоспектр» [8]). Для сокращения вычислительных затрат построение спектральной оценки целесообразно проводить в ограниченной области доплеровских частот, а не во всем диапазоне частот. Анализируемая область определяется значением «планерной» составляющей, которая вычисляется в блоке БПФ 1, и максимальной шириной спектральных составляющих вторичной модуляции, отраженных от динамических элементов конструкции ЛА. Для этого сигнал с блока БПФ 1 подается на второй вход блока формирования спектральной оценки 10.

Сигнал с выхода блока формирования спектральной оценки 10 далее поступает на вход блока определения пиков 2, где на основании полученного доплеровского спектра определяется частота Доплера, соответствующая радиальной скорости движения корпуса Л А относительно антенны РЛС.

Сигнал с выхода блока определения пиков 2 подается далее на первый вход блока ЧПВ 3, в котором многократной системой ЧПВ происходит компенсация составляющих сигнала, отраженных от пассивных помех, а также составляющей, отраженной от корпуса ЛА за счет подавления сигналов неизменных по амплитуде от периода к периоду повторения. В результате на выходе блока ЧПВ 3 после подавления сигнала, отраженного от корпуса, в рассмотрении остается лишь сигнал, отраженный от динамических элементов конструкции ЛА.

Сигнал с выхода блока ЧПВ 3 далее поступает на ПУ 4, где происходит амплитудное детектирование сигнала с последующим формированием порога по критерию Неймана-Пирсона [9], а также происходит определение максимального значения амплитудной модуляции в обработанном сигнале. Появление в обработанном сигнале существенных пиков свидетельствует о наличии ЛА, так как данные максимальные значения амплитудной модуляции сигнала соответствуют сигналам, отраженным от динамических элементов конструкции ЛА.

С первого выхода ПУ 4 сигнал поступает на вход блока определения периода 5, в котором определяется период амплитудной модуляции. Полученное значение периода амплитудной модуляции с выхода блока 5 поступает на вход блока банка данных 6. Первоначальная классификация воздушных объектов происходит по скорости ЛА (у вертолетов курсовая скорость полета заметно ниже, чем у самолетов). Дальнейший этап - идентификация воздушного объекта. Задача идентификации (определения типа) воздушной цели решается путем сравнения спектрального портрета воздушного объекта с эталонными, которые хранятся в блоке банка данных 6, представляющий собой алфавит классов. Алгоритм системы классификации зависит от сложности задач по принятию решений о принадлежности ВО к классу (типу), например, алгоритмы по методу линейных дискриминаторов Фишера или по методу ближайших соседей [10].

Результаты анализа выводятся на индикатор 7.

Учитывая достаточную простоту формирования авторегрессионной оценки и относительно небольшой объем вычислений, предлагаемое устройство является высокоэффективным и недорогим средством, и может быть реализовано алгоритмически в специализированных цифровых вычислительных машинах многофункциональных РЛС, обеспечивающих мониторинг воздушной обстановки в реальном масштабе времени.

Повышение вероятности распознавания и классификации винтовых ЛА достигается благодаря выявлению в отраженном радиолокационном сигнале методами сверхрелеевского спектрального оценивания дополнительных спектральных составляющих, отраженных от динамических элементов конструкции ЛА в тех случаях, когда это невозможно выполнить на процедуре, основанной на БПФ.

Таким образом, благодаря тому, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные блок определения пиков, блок ЧПВ, ПУ, блок определения периода, блок базы данных и индикатор, а также блок БПФ, дополнительно введены блок формирования матрицы данных, блок формирования ВВК и блок формирования спектральной оценки с вышеописанными связями, достигается повышение вероятности обнаружения и классификации винтовых ЛА.

Источники информации:

1. «Устройство для распознавания случайных сигналов», патент РФ №2245561, опубл. 27.01.2005, заявка №2003119417 от 26.06.2003, МПК G01S 7/41. G01S 13/78;

2. «Способ и устройство для автоматического распознавания и идентификации вертолета с помощью РЛС», патент FR №2738350, опубл. 07.03.1997, заявка №8909530 от 13.07.1989, МПК G01S 13/52, G01S 7/41;

3. «Устройство для обнаружения и классификации летящих и зависших вертолетов», патент РФ №2293350, опубл. 10.02.2007, заявка №2005112690 от 26.04.2005, МПК G01S 13/52 - прототип;

4. Особенности создания банка данных радиолокационных эталонных портретов сигналов, отраженных от воздушных целей, Васильев О.В., Жуков М.Н., Потапов Р.А., Ситников А.Г. // Радиотехника, 2010, №7, стр. 57-60;

5. Накопление сигнала при использовании современных методов цифрового спектрального оценивания, Абраменков В.В. // Радиотехника, 2002, №12, стр. 88-91;

6. Защита радиолокационных систем от помех. Состояние и тенденции развития. / Под. ред. А.И. Канащенкова и В.И. Меркулова. -М.: Радиотехника, 2003, стр. 145;

7. Цифровой спектральный анализ и его приложения, Марпл-мл. С.Л. / Пер. с англ. - М.: Мир, 1990;

8. Цифровая обработка сигналов, Сергиенко А.Б. - СПб.: Питер, 2002, стр. 252;

9. Основы радиолокации, Финкелыптейн М.И., - М: Радио и связь, 1983, стр.210.

10. Методы радиолокационного распознавания и их моделирование, Ширман Я.Д., Горшков С.А. и др. - в Сб.: «Радиолокация и радиометрия», №2, Радиолокационное распознавание и методы математического моделирования, вып. III, 2000, стр. 27.

Claims (1)

1. Устройство распознавания винтовых летательных аппаратов, содержащее последовательно соединенные блок определения пиков, блок череспериодного вычитания (ЧПВ), пороговое устройство (ПУ), блок определения периода, блок базы данных и индикатор, а также блок быстрого преобразования Фурье (БПФ), причем вход блока БПФ и второй вход блока ЧПВ соединены с антенной, а второй выход ПУ соединен со вторым входом индикатора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок формирования матрицы данных, блок формирования вектора весовых коэффициентов (ВВК) и блок формирования спектральной оценки, при этом вход блока формирования матрицы данных соединен с антенной, а выход - с входом блока формирования ВВК, выход которого соединен с первым входом блока формирования спектральной оценки, второй вход которого соединен с выходом блока БПФ, а выход - с входом блока определения пиков.

   

Images