RU2619056C2

RU2619056C2 - Способ обнаружения движущейся цели с различением скоростных и маневренных характеристик

Info

Publication number: RU2619056C2
Application number: RU2015143941A
Authority: RU
Inventors: Александр Андреевич Шаталов; Александр Борисович Ястребков; Дмитрий Николаевич Самотонин; Игорь Станиславович Заборовский; Валентина Александровна Шаталова
Priority date: 2015-10-13
Filing date: 2015-10-13
Publication date: 2017-05-11
Also published as: RU2015143941A

Abstract

Изобретение относится к активным импульсным радиолокационным системам обнаружения и наблюдения воздушно-космических целей и предназначено для надежного обнаружения движущихся целей с различением их скоростных и маневренных характеристик, позволяющим осуществлять своевременную перенастройки системы вторичной обработки радиолокационного сигнала на работу по маневрирующей цели. Достигаемый технический результат - повышение достоверности обнаружения маневрирующей воздушно-космической цели с различением скоростных и маневренных характеристик в условиях наблюдения быстро маневрирующих целей при разрушении когерентности принимаемого сигнала. Указанный результат достигается тем, что в системе первичной обработки радиолокационного сигнала производится одновременно межпериодное когерентное накопление результатов обработки одиночного импульса в виде модуля суммы корреляций межпериодной выборки этих результатов и опорных сигналов по узлам сетки возможных значений частот Доплера и их производных и некогерентное накопление межпериодной выборки. Факт наличия быстро маневрирующей цели определяется превышением уровня сигнала после некогерентного накопления над уровнем сигнала когерентного накопления, а различение маневренных и скоростных характеристик определяется максимумом результата когерентного накопления по узлам сетки доплеровских частот и их производных. Полученные данные могут использоваться на этапе вторичной обработки для выбора адекватного поведения цели алгоритма сопровождения и, как следствие, повышают точностные характеристики координатных и траекторных измерений параметров движения цели. 1 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к радиолокации и предназначено для обнаружения движущихся воздушно-космических объектов с различением их скоростных и маневренных характеристик; может быть использовано в бортовых и наземных когерентных импульсных активных радиолокационных системах различного назначения.

Уровень техники

Повышение эффективности применения современных РЛС в условиях организованного противодействия их функционированию зависит от своевременной классификации воздушной обстановки. При этом одним из распространенных приемов срыва сопровождения цели является активное маневрирование воздушных объектов. Своевременное обнаружение движущейся цели с определением ее скоростных характеристик и выделением момента начала маневра цели позволяет уменьшить ошибки сопровождения при вторичной обработке сигналов РЛС и исключает срыв сопровождения цели, обусловленный этими ошибками.

Известна группа способов обнаружения маневра цели основанная на использовании измерений параметров движения цели, таких как ускорение, скорость и поведение в пространстве, полученных в результате вторичной обработки сигналов, проводимой на протяжении ряда обзоров. При этом система первичной обработки сигнала функционирует в обычном режиме и обеспечивает обнаружение целей, измерение их координат и возможную оценку их скоростных характеристик. Например, известен способ обнаружения маневра воздушной цели основан на анализе обновляющей последовательности (см. [1]: А. Фарина, Ф. Студер. Цифровая обработка радиолокационной информации. Сопровождение целей. – М.: Радио и связь. 1993, с. 223-224, рис. 4.15). Обновляющую последовательность обрабатывают набором низкочастотных фильтров, настроенных на маневр определенного типа. Наибольший по уровню сигнал будет на выходе фильтра, согласованного с обновляющей последовательностью. Если при этом будет превышен порог, то принимают решение о наличии маневра цели с характеристиками, соответствующими настройке согласованного фильтра, что дает возможность различения типа и параметров маневра для настройки фильтра Калмана при слежении за целью.

Недостатками способа являются:

необходимость длительного межобзорного времени накопления результатов наблюдений отслеживаемой координаты цели для принятия решений об обнаружении маневра и различения типа маневра цели по выходам низкочастотных фильтров;

низкая помехоустойчивость к воздействию уводящих помех, имитирующих маневр цели.

Известен способ помехозащищенного обнаружения маневра (см. [2]: Способ помехозащищенного обнаружения маневра цели и устройство для его реализации, патент RU 2235343, публ. 27.08.2004), заключающийся в том, что обнаруживают маневр цели на основе анализа обновляющей последовательности отслеживаемых двух координат цели, а именно дальности и азимута, каждая из которых обрабатывается набором низкочастотных фильтров, настроенных на определенный тип маневра цели, и по результатам сравнения выходных сигналов этих фильтров определяют тип маневра, отличающийся тем, что выходные сигналы обнаружителей маневра по дальности и азимуту сравнивают по правилу логического умножения и по результатам сравнения судят о наличии маневра цели или действия уводящей помехи, имитирующей маневр по одной координате.

Недостатками способа являются:

необходимость длительного межобзорного времени накопления результатов наблюдений отслеживаемых координат цели для принятия решения о наличии маневра по выходам низкочастотных фильтров в каждом из координатных каналов и для различения типа маневра цели по соответствующей координате;

низкая помехоустойчивость к воздействию уводящих помех, имитирующих маневр цели сразу по двум координатам;

принятие ложных решений об отсутствии маневра при условии, что цель совершает маневр в угломестной плоскости.

Известен способ помехозащищенного обнаружения маневра воздушной цели (см. [3]: патент №2403590, Данилов С.Н., Рязанцев Л.Б. Публ. 10.11.2010, Бюл. №31), основанный на анализе обновляющей последовательности отслеживаемой координаты цели, которая обрабатывается набором низкочастотных фильтров, каждый из которых настроен на определенный тип маневра цели. При этом сигнал с выхода такого обнаружителя маневра цели, соответствующий максимальному из всех выходных сигналов низкочастотных фильтров, сравнивают по правилу логического умножения с сигналом, пропорциональным предельно возможной перегрузке цели для ее скорости и высоты, поступающих от измерителей скорости и высоты цели. При наличии информации о начале маневра от обнаружителя маневра цели и превышении этим сигналом порога с выхода схемы нечеткого управления порогом принимают решение о маневре и изменяют алгоритм оценивания калмановского фильтра сопровождения цели в соответствии с выявленным в наборе низкочастотных фильтров типом маневра, соответствующим низкочастотному фильтру с максимальным откликом. В случае, если одно или оба условия не выполняются, считают, что действует уводящая помеха или сигнал обнаружителя маневра цели отсутствует, и используют фильтр сопровождения прямолинейно движущейся цели.

Недостатками способа являются:

для принятия решения об обнаружении маневра необходимо накопить достаточное количество межобзорной информации об отслеживаемой координате цели, чтобы осуществить накопление обновляющей информации в наборе низкочастотных фильтров, обеспечивающих путем выбора максимального накопленного отклика низкочастотных фильтров различение типа маневра, а при превышении этим максимальным откликом нечеткого порога и собственно обнаружение маневра цели по отслеживаемой координате.

необходимость наличия априорной информации о предельно возможной перегрузке цели по скорости и высоте для нечеткого управления порогом, а также необходимость учета разнообразия этой информации для разных типов целей и условий их движения, что в целом затрудняет определение самого нечеткого порога, а следовательно, уменьшает вероятность правильного различения уводящей помехи относительно маневрирующей цели, то есть снижает помехоустойчивость системы обнаружения различения маневра цели.

Другая известная группа способов состоит в обнаружении маневрирующих целей непосредственно на этапе первичной обработки сигналов. Они основаны на модификации устройств многоканальной обработки сигналов по дальности и скорости с целью повышения эффективности фильтрации сигналов с нелинейным изменением доплеровской фазы, обусловленных ускорением цели совершающей маневр. В качестве решения обычно предлагается введение многоканальности по ускорению с определением каналов, в наибольшей степени соответствующих принимаемым сигналам цели, путем взаимного сравнения и выбора максимальных сигналов на выходах этих каналов. Полученные в этой области технические решения связаны в той или иной степени с минимизацией проблем, вызванных введением дополнительной многоканальности по ускорению.

К их числу относится «Способ обнаружения сигналов, отраженных от маневрирующей цели» (см. [4]: патент №2282873, Кошелев В.И., Белокуров В.А., Публ. 27.08.2006, Бюл. №31), заключающийся в том, что зондируют пространство пачкой когерентных радиоимпульсов, осуществляют аналого-цифровое преобразование отраженного от маневрирующей цели комплексного сигнала, представленного синфазной (действительной) и квадратурной (мнимой) составляющими, получают выборки сигналов, умножают каждый элемент выборки сигнала на комплексные фазоповорачивающие множители и запоминают их, при этом каждый элемент выборки сигнала, полученный после аналого-цифрового преобразования, задерживают на период повторения зондирующих импульсов, мнимую часть задержанного отсчета выборки сигнала инвертируют, затем умножают каждый задержанный элемент выборки сигнала на следующий, после задержанного, элемент выборки, полученный после аналого-цифрового преобразования, осуществляют скользящее суммирование в виде комплексных отсчетов всех запомненных элементов выборки с одновременной компенсацией доплеровского набега фазы, отраженного сигнала, получаемого за счет ускорения изменения доплеровской частоты в М каналах по ускорению, каждый из полученных комплексных отсчетов используют для получения их модулей и одновременно для получения оценки доплеровского набега фазы отраженного сигнала, получаемого за счет оценки скорости изменения доплеровской частоты сигнала в соответствующем m-м канале по ускорению, где m=0, 1, …, М-1, и используемого при вычислении достаточной статистики параметров обнаружения, осуществляют выбор максимальной величины модуля комплексного отсчета, при превышении которым порогового уровня в систему вторичной обработки поступает значение оценки доплеровского набега фазы отраженного сигнала, получаемого за счет оценки скорости изменения доплеровской частоты сигнала в m-м канале по ускорению, при этом в системе вторичной обработки определяют m-й номер канала по ускорению, в котором произошло превышение порогового уровня, и соответствующую этому каналу максимальную величину модуля комплексного отсчета, соответствующую вычисленной достаточной статистике, по превышению порога обнаружения величиной модуля комплексного отсчета в m-м канале принимают решение об обнаружении маневрирующей цели. Таким образом, рассматриваемый способ обнаружения маневрирующей цели является многоканальным по ускорению и одноканальным по скорости.

Недостатками способа являются:

работоспособность способа гарантируется только при условии полной когерентности сигнала на интервале принятия решения об обнаружении маневрирующей цели, причем длительность этого интервала должна одновременно обеспечивать однозначность оценивания параметров сигналов во всем диапазоне дальностей, скоростей и ускорений, что трудно выполнимо на практике;

способ, в силу квазиоптимальности операций, осуществляемых в нем, обладает потерями в пороговом сигнале по отношению к оптимальной обработке даже в условиях полной когерентности сигналов, о чем указано в самом описании изобретения (табл. 1 описания изобретения «Разница в пороговых отношениях сигнал/шум»).

Другим аналогом является адаптивный способ обнаружения маневрирующих целей (см. [5]: Кошелев В.И., Белокуров В.А. Адаптивное обнаружение маневрирующих целей - М.: Российское научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова. Цифровая обработка сигналов, 2005, №01 - с. 41-45), где обработка отраженного от маневрирующей цели комплексного сигнала, представленного синфазной (действительной) и квадратурной (мнимой) составляющими сигнала после их аналого-цифрового преобразования осуществляется путем формирования основных мультипликаций, образованных произведением принимаемых межпериодных отсчетов процесса и задержанных на период тех же отсчетов, накопления Y двойных мультипликаций, т.е. мультипликаций основной последовательности мультипликаций с задержанной на период последовательностью основных мультипликаций и оценки фазового межпериодного набега за счет ускорения путем вычисления

. В остальном обработка соответствует предыдущему аналогу, т.е. рассматриваемый в [5] способ является одноканальным как по ускорению, так и по скорости.

Недостатками способа являются:

также как и ранее, работоспособность способа гарантируется только при условии полной когерентности сигнала на интервале принятия решения об обнаружении маневрирующей цели, причем длительность этого интервала должна одновременно обеспечивать однозначность оценивания параметров сигналов во всем диапазоне дальностей, скоростей и ускорений, что трудно выполнимо на практике;

способ основан на квазиоптимальной обработке и имеет потери в пороговом сигнале по отношению к оптимальной обработке даже в условиях полной когерентности сигналов;

время задержки принятия решения об обнаружении цели с различением ее скорости и ускорения также увеличивается за счет двухэтапности обработки, поскольку невозможно осуществить измерение скорости пока не получены оценки фазового набега за счет ускорения.

Известен способ адаптивной настройки каналов ускорения в многоканальном обнаружителе маневрирующей цели (см. [6]: Патент №2542347 по заявке 2013159048/07 от 30.12.2013, опубл. 20.02.2015, бюл. №5. Способ адаптивной настройки каналов ускорения в многоканальном обнаружителе маневрирующей цели. Белокуров В.А., Козлов Д.Н., Кошелев В.И.), заключающийся в том, что зондируют пространство пачкой когерентных радиоимпульсов, осуществляют аналого-цифровое преобразование отраженного от маневрирующей цели комплексного сигнала, представленного синфазной (действительной) и квадратурной (мнимой) составляющими, получают выборки сигналов, осуществляют квадратичные фазовые сдвиги полученных выборок в диапазоне, границы которого определяются априорно возможными значениями ускорения, осуществляют преобразование Фурье, определяют модули полученных значений, на основании их сравнения с порогом принимают решение о наличии или отсутствии цели, отличающийся тем, что выполняют поиск максимумов модулей преобразования Фурье для каждого осуществленного ранее квадратичного фазового сдвига, из дискретных значений квадратичных фазовых сдвигов выбирают ту пару соседних значений, которой соответствуют максимумы модулей преобразований Фурье, затем формируют новые дискретные значения квадратичных фазовых сдвигов в диапазоне, границы которого определяются полученной парой соседних значений квадратичных фазовых сдвигов.

Недостатками способа являются:

требование полной когерентности сигнала на интервале принятия решения об обнаружении маневрирующей цели;

способ так же основан на квазиоптимальной обработке и имеет потери в пороговом сигнале по отношению к оптимальной обработке даже в условиях полной когерентности сигналов;

время задержки принятия решения об обнаружении цели с различением ее скорости и ускорения также увеличивается за счет необходимости адаптивной настройки каналов по ускорению, которая осуществляется в два этапа.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ обнаружения маневрирующей цели с различением скоростных и маневренных характеристик, предложенный в работе Кузьменкова В.Ю., Логинова В.М. «Способы и устройства совместного измерения радиальной скорости и радиального ускорения» [см. [7]: Радиотехника и электроника, 1997, Т. 42, №12, с. 1465…1475], изложенный на стр. 1466-1467 и заключающийся в том, что пространство зондируют пачкой когерентных радиоимпульсов и осуществляют фильтрацию отраженного от движущейся цели сигнала, представленного его комплексной огибающей

вида

где

- комплексная огибающая принятого пачечного сигнала, t₀=2r₀/c - задержка отраженного сигнала,

- несущая частота,

- частота Доплера цели,

- производная доплеровской частоты, λ - длина волны излучения.

Такой сигнал на приемной стороне однозначно представляется синфазной (действительной) и квадратурной (мнимой) составляющими комплексной огибающей

. При этом обработка пачечного сигнала в стробе дальности осуществляется в два этапа. На первом обрабатывается отдельный импульс путем фильтрации в фильтре, согласованном с отдельным импульсом пачки. На втором этапе обрабатывается временная выборка сигнала на интервале длительности пачки радиоимпульсов, представленная, в результате аналого-цифрового преобразования, своими N (N - число импульсов в пачке) квантованными, дискретными, с интервалом дискретизации, равным периоду повторения Т, комплексными амплитудными отсчетами

, соответствующими выходу этого согласованного фильтра. В предположении, что амплитуда огибающей в пачке не меняется, можно записать эту выборку в виде

где Т - период следования импульсов в пачке, N - число импульсов в пачке.

Обработка пачки в целом сводится к вычислению модуля суммы корреляций

выборки сигнала

и опорных сигналов в виде комплексных фазовых множителей

при этом частота Доплера цели и ее производная принимают дискретные значения

, k=0, 1, 2, …, N-1 и

, q=0, 1, 2, …, N²-1, в соответствии с разрешающими способностями по скорости и ускорению

и

соответственно. Опорные сигналы также представлены синфазной (действительной) и квадратурной (мнимой) составляющими и соответствуют по своим параметрам комплексной огибающей излучаемого сигнала в узлах сетки возможных значений частот Доплера и их производных, максимально возможный ансамбль которых обеспечивается всей совокупностью дискретных отсчетов k и q, принимающих следующие возможные значения k=0, 1, 2, …, N-1 и q=0, 1, 2, …, N²-1 и определяющих область доступных для различения значений доплеровской частоты сигнала в каждом отдельном стробе дальности и ее производной. Далее определяют максимум модуля суммы корреляций по узлам сетки Z_kq с запоминанием значения максимума и соответствующих этому максимуму значений частоты Доплера сигнала

и ее производной

. При этом диапазон однозначного измерения частоты Доплера составит

, а для однозначного измерения производной частоты Доплера

. В [4, стр. 6 Описания] отмечается, что анализировать весь диапазон однозначного измерения ускорения не имеет смысла ввиду избыточности этих значений для реальных ускорений объектов обнаружения. Поэтому и для скорости и для ускорения в условиях заданного режима зондирования сигналов можно определить ансамбль возможных дискретных значений k_ν и q_ν, представляющих практический интерес.

Пусть k₀ и q₀ индексы, соответствующие этому максимуму. Тогда соответствующие им значения частоты Доплера и ее производной определяются выражением:

а радиальная скорость и радиальное ускорение вычисляются по формулам:

Результат обнаружения определяется сравнением максимума модуля суммы корреляций по узлам сетки с порогом, определяемым уровнем шумов и выбранным критерием качества обнаружения, при этом в случае превышения порога принимается решение об обнаружении цели и определяются дискретные значения скорости и ускорения цели по формулам (6), что соответствует различению скоростных характеристик на узлах сетки, покрывающей область однозначного измерения доплеровской частоты сигнала и ее производной. Причем в случае, если значение q₀≠0, формируется признак маневрирующей цели по результатам обработки.

Рассмотренному в прототипе способу присущ недостаток, заключающийся в том, что этот способ оказывается работоспособным только в условиях полной когерентности принимаемых сигналов на интервале зондирования пачки радиоимпульсов, длительность которой должна обеспечивать однозначность оценивания параметров сигналов во всем диапазоне дальностей, скоростей и ускорений. Выполнение этого внутренне противоречивого условия возможно только в ограниченных рамках изменения дальности, скорости и ускорения целей при жестком требовании когерентности сигнала, что в условиях наблюдения скоростных маневрирующих целей практически не обеспечивается в значительной части радиолокационных ситуаций. Дело в том, что когерентность принимаемого сигнала связана не только с характеристиками стабильности передающей аппаратуры РЛС, но и с характером отражения зондирующего сигнала от цели, определяемого сложностью геометрии цели, взаимной ориентацией объекта отражения и РЛС и динамикой ее движения. При совершении маневра ориентация летательного аппарата относительно РЛС существенно меняется, что меняет характеристики отражения цели. Как следствие, спектр флюктуаций вторичного излучения существенно расширяется, что приводит к уменьшению времени корреляции между отсчетами отраженного от цели сигнала. Таким образом, критическим параметром для использования способа-прототипа обнаружения сигналов, отраженных от маневрирующей цели, является время когерентности отраженного от такой цели сигнала. В то же время для обеспечения высокой точности оценки радиальной скорости и ускорения цели необходимо обеспечить увеличение длительности пачки и уменьшение периода повторения за пределы однозначности измерений по дальности. Как следствие, в системе первичной обработки приходится увеличивать время контакта с целью, что ограничивает возможности работы в многоцелевой обстановке, и приводит к потерям работоспособности при разрушении когерентности пачки в условиях маневра цели. Для различения целей по скорости и ускорению в типичной для практических радиолокационных наблюдений ситуации, рассмотренной в [4, Табл. 1, 3], требуются пачки, длительностью от 128 до 1024 импульсов, при этом число каналов по скорости и ускорению находятся в пределах от 60 до 800 и от 10 до 40 соответственно. Однако, чем больше длительность пачки, тем сильнее изменяются характеристики отражения маневрирующей цели и тем выше вероятность возникновения флуктуаций амплитуды и фазы отраженного сигнала на интервале длительности пачки, а следовательно, тем выше вероятность потери работоспособности такой системы обнаружения маневрирующей цели. Кроме того, даже в условиях частичной когерентности сигналов когерентная обработка приводит к потерям в пороговом сигнале обнаружения.

Техническим результатом предлагаемого нового способа обнаружения движущихся целей является повышение достоверности обнаружения маневрирующей воздушно-космической цели с различением скоростных и маневренных характеристик в условиях наблюдения быстро маневрирующих целей при разрушении когерентности принимаемого сигнала.

Сущность изобретения заключается в дополнении известного способа обнаружения движущейся цели с различением скоростных и маневренных характеристик некогерентным накоплением сигнала и изменении алгоритма принятия решений в соответствии с этим дополнением. Это выражается в том, что по известному способу пространство зондируют пачкой когерентных радиоимпульсов и осуществляют фильтрацию отраженного от движущейся цели сигнала, описываемого его комплексной огибающей

вида (1), однозначно представляемого синфазной (действительной) и квадратурной (мнимой) составляющими этой комплексной огибающей и обработку результата фильтрации. Причем фильтрация осуществляется в фильтре, согласованном с отдельным импульсом пачки. Обработка результата фильтрации осуществляется по временной выборке сигнала в стробе дальности на интервале длительности пачки радиоимпульсов, представленной, в результате аналого-цифрового преобразования, своими N (N - число импульсов в пачке) квантованными, дискретными, с интервалом дискретизации, равным периоду повторения Т, комплексными амплитудными отсчетами

, соответствующими выходу этого согласованного фильтра. Обработка пачки в целом сводится к вычислению модуля суммы корреляций (3) выборки сигнала

и опорных сигналов, представленных своими синфазной (действительной) и квадратурной (мнимой) составляющими в узлах сетки возможных значений частот Доплера и их производных, максимально возможный ансамбль которых обеспечивается всей совокупностью дискретных отсчетов k и q, принимающих следующие возможные значения k=0, 1, 2, …, N-1 и q=0, 1, 2, …, N²-1 и определяющих область доступных для различения значений доплеровской частоты сигнала в каждом отдельном стробе дальности и ее производной. Далее определяют максимум модуля суммы корреляций по узлам сетки Z_kqmax с запоминанием значения максимума и индексов сетки k₀ и q₀, соответствующих этому максимуму.

При этом дополнительно вычисляют сумму квадратов модулей комплексных амплитудных отсчетов

в соответствии с алгоритмом:

и сравнивают его значение с квадратом максимума модуля суммы корреляций по узлам сетки (Z_kqmax)². Решение об обнаружении движущейся цели принимается в случае превышения одним из этих значений соответствующего ему порога обнаружения. При этом в случае превышения порогов обнаружения и превышения суммы квадратов модулей комплексных амплитудных отсчетов над квадратом максимума модуля суммы корреляций по узлам сетки принимается решение о наличии быстро маневрирующей цели в стробе дальности, в остальных случаях принимается решение о наличии цели с параметрами скорости и ускорения соответствующими узлам сетки, в которой фиксируется максимум модуля суммы корреляций по узлам. Причем, если этот максимум относится к узлам, соответствующим нулевым ускорениям, принимают решение об отсутствии маневра цели с соответствующим параметром скорости, а в остальных случаях - решение о наличии маневрирующей цели с соответствующими параметрами скорости и ускорения. Параметры величины скорости и ускорения вместе с соответствующими решениями передают в систему вторичной обработки для корректировки алгоритмов сопровождения цели.

Докажем, что заявляемый способ обнаружения маневрирующей цели с различением скоростных и маневренных характеристик повышает достоверность обнаружения маневрирующей воздушно-космической цели путем обеспечения различения маневра воздушно-космической цели в условиях наблюдения быстро маневрирующих целей при разрушении когерентности принимаемого сигнала.

При отсутствии когерентности принимаемого сигнала от импульса к импульсу в пачке формирование модуля суммы корреляций (3) по любому из узлов сетки возможных значений доплеровских частот и их производных приводит к неопределенности результата измерений, поскольку при одной реализации максимум может соответствовать любому из узлов сетки, а при накоплении по большому числу импульсов возможна даже потеря сигнала. Действительно, представим модуль суммы корреляций в виде

где

- вектор выборки опорного сигнала,

- вектор выборки результатов согласованной фильтрации одиночного импульса принимаемого процесса в стробе дальности, ~ означает эрмитово сопряжение. Таким образом, результат обработки представляет собой модуль скалярного произведения двух векторов, которое как известно определяется в виде

где ϕ угол между этими векторами. В случае, если эти вектора коллинеарны, что соответствует когерентному накоплению сигнала, ϕ=0 и cosϕ=1.

В остальных случаях cosϕ<1, а при ϕ=π/2 результат корреляционной обработки вообще равен нулю

, что приводит к полной потере сигнала цели.

Рассмотрим отдельно

и

, определяемые как длина вектора. Тогда длина вектора

определяется как

поскольку

и

для любого n=0, 1, 2, …, N-1.

В то же время модуль вектора

может быть определен исходя из выражения (2):

Таким образом, квадрат максимального модуля суммы корреляций при обработке, соответствующей прототипу, равен

В случае когерентной пачки Z_kqmax ²=A²N².

Заявленное преимущество предлагаемого способа обеспечивается дополнительным накоплением квадратов модулей комплексных амплитудных отсчетов на интервале длительности пачки.

Рассмотрим, какие результаты обработки будут в предлагаемом способе. Для начала полагаем, что пачка, также как и в прототипе, имеет равновесные амплитуды сигнала, т.е. V_n=А. В этом случае комплексная огибающая опорного сигнала представляется в виде вектора

При этом

Тогда, используя (11) и (12), получим

При когерентной пачке в предлагаемом способе Z_kqmax ²=A²N, а при некогерентной пачке Z_kqmax ²=A²Ncos²ϕ.

Сумма квадратов модулей комплексных амплитудных отсчетов

в соответствии с (8) по сигналу с учетом (12) будет равна:

где * - знак сопряжения.

Таким образом, независимо от вида пачки результат обработки в отсутствии шумов по сигналу одинаков. Это означает, что при некогерентной пачке Ψ всегда больше Z_kq и решение о наличии быстро маневрирующей цели будет принято верно. То есть цель изобретения, заключающаяся в повышении достоверности обнаружения маневрирующей воздушно-космической цели с различением скоростных и маневренных характеристик в условиях наблюдения быстро маневрирующих целей при разрушении когерентности принимаемого сигнала, достигнута. При этом следует учитывать, что по шумам когерентное и некогерентное накопления дают разные уровни результата накопления, а следовательно, при обнаружении сигнала порог обнаружения при одинаковых требованиях по вероятности ложной тревоги будет различным.

Введенная в способ совокупность существенных признаков, включающая вычисление суммы квадратов модулей комплексных амплитудных отсчетов

в соответствии с алгоритмом:

и сравнение его значения с квадратом максимума модуля суммы корреляций по узлам сетки (Z_kqmax)², с принятием решения об обнаружении движущейся цели по превышению одним из этих значений соответствующего ему порога обнаружения, причем в случае превышения порогов обнаружения и превышения суммы квадратов модулей комплексных амплитудных отсчетов над квадратом максимума модуля суммы корреляций по узлам сетки принимается решение о наличии быстро маневрирующей цели в стробе дальности, в остальных случаях принимается решение о наличии цели с параметрами скорости и ускорения, соответствующими узлам сетки, в которой фиксируется максимум модуля суммы корреляций по узлам, с учетом того, что, если этот максимум относится к узлам, соответствующим нулевым ускорениям, принимают решение об отсутствии маневра цели с соответствующим параметром скорости, а в остальных случаях решение о наличии маневрирующей цели с соответствующими параметрами скорости и ускорения отсутствуют в известных способах обнаружения движущихся целей с различением их скоростных и маневренных характеристик, и потому является новой.

Выявленные существенные признаки, как показывает сравнение с рассмотренными выше известными способами обнаружения движущихся целей с различением их скоростных и маневренных характеристик, не следуют явным образом из известного уровня техники и обеспечивают изобретательский уровень данного изобретения. Его применение позволяет повысить достоверность обнаружения маневра цели, а использование полученной информации о маневренных характеристиках на этапе вторичной обработки радиолокационной информации для выбора адекватного поведения цели алгоритма сопровождения повышает точностные характеристики координатных и траекторных измерений параметров движения цели.

Промышленная применимость изобретения определяется возможностью реализации этого способа на современном уровне техники. В предложенном способе используется доступная информация и повсеместно используемые в радиолокации преобразования сигналов. Поэтому техническая применимость предлагаемого изобретения не вызывает затруднений.

Техническая реализация предлагаемого способа возможна на основе устройства, общая схема которого представлена на чертеже фиг. 1.

Устройство состоит из двух фильтров, согласованных с отдельным импульсом пачки 1 в синфазном и квадратурном приемном канале соответственно, двух аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 2, двух блоков буферных регистров формирования комплексных отсчетов выборки сигналов на интервале длительности пачки в стробе дальности 3, блока квадратичного сложения 4, многоканального блока комплексного умножения 5, многоканального ПЗУ для хранения массива выборок комплексных отсчетов опорных сигналов 6 по узлам сетки, покрывающей область возможных значений доплеровской частоты сигнала и ее производной, блока накопления суммы квадратов модулей комплексных амплитудных отсчетов 7, многоканального блока накопления суммы корреляций по узлам сетки на интервале длительности пачки 8, двух пороговых устройств принятия решения об обнаружении цели 9-1 и 9-2, многоканального блока модульного преобразования с выбором и идентификацией канала максимального модуля 10, двух коммутаторов 11-1 и 11-2, функциональной схемы сравнения 12, арифметико-логического устройства формирования выхода 13.

Устройство работает следующим образом. Сигнал, отраженный от маневрирующей цели, поступает на вход приемника, где последовательно проходит каскады усиления, преобразуется в квадратурных фазовых детекторах в видеочастоту и поступает на входы устройства, реализующего заявляемый способ. Квадратурные проекции сигнальной выборки после фильтрации в фильтрах, согласованных с отдельным импульсом пачки 1 и аналого-цифрового преобразования в АЦП 2, на второй вход которого подается частота дискретизации от синхронизатора РЛС, формируются в последовательность комплексных величин

в стробе дальности, соответствующих элементам вектора выборки результатов согласованной фильтрации одиночного импульса на интервале длительности пачки с периодом следования, равным периоду излучения импульсов в двух блоках буферных регистров формирования комплексных отсчетов выборки сигналов на интервале длительности пачки в стробе дальности 3. С выходов буферных регистров отсчеты одновременно подаются на вход блока квадратичного сложения 4 и на вход многоканального блока комплексного умножения 5. В блоке квадратичного сложения 4 реализуется операция

, где Re и Im означают синфазную (действительную) и квадратурную (мнимую) составляющие

и полученный результат передается на блок накопления суммы квадратов модулей комплексных амплитудных отсчетов 7. Результат такого преобразования является вещественным. В блоке многоканального комплексного умножения 5 осуществляется операция перемножения комплексных отсчетов опорного сигнала

на комплексные отсчеты выборки результатов согласованной фильтрации одиночного импульса на интервале длительности пачки

. Число каналов многоканального комплексного умножителя определяется числом узлов сетки возможных значений частот Доплера и их производных, максимально возможный ансамбль которых обеспечивается всей совокупностью дискретных отсчетов k и q, принимающих следующие возможные значения k=0, 1, 2, …, N-1 и q=0, 1, 2, …, N²-1 и определяющих область доступных для различения значений доплеровской частоты сигнала в каждом отдельном стробе дальности и ее производной. Операции комплексного умножения осуществляются по законам комплексного умножения: (а+jb)(c+jd)=ас-bd+j(ad+bc). Результаты полученных умножений подаются параллельно по каналам на вход многоканального блока накопления суммы корреляций по узлам сетки на интервале длительности пачки 8. В блоке накопления суммы квадратов модулей комплексных амплитудных отсчетов 7 формируется сумма квадратов модулей комплексных амплитудных отсчетов

в соответствии с алгоритмом:

Результат такого некогерентного квадратичного накопления тоже является вещественным и подается параллельно на вход первого порогового устройства 9-1 и на вход первого коммутатора 11-1.

В блоке накопления суммы корреляций по узлам сетки на интервале длительности пачки 8 накапливается сумма корреляций

по каждому из каналов когерентного накопления. Результаты накопления по окончании пачки передаются параллельно по каналам на блок модульного преобразования с выбором и идентификацией канала максимального модуля 10. В этом блоке для каждого результата когерентного накопления k, q определяется его модуль по правилу:

который является вещественным. Далее производится взаимное сравнение полученных модулей для всех значений k, q с выбором наибольшего значения, коммутируемого на первый выход блока и фиксацией номеров каналов k₀, q₀, соответствующих этому максимуму, формируемых на втором выходе этого блока. Наибольшее значение результата когерентного накопления с выхода блока накопления суммы корреляций по узлам сетки на интервале длительности пачки 8 подается параллельно на вход второго порогового устройства 9-2 и на вход второго коммутатора 11-2, а значения номеров каналов k₀, q₀ передаются на первый вход арифметико-логического устройства формирования выхода 13.

При превышении порогов обнаружения, подаваемых на второй вход пороговых устройств 9-1 и 9-2 соответствующими входными величинами на их выходе, формируется сигнал обнаружения цели (1), который управляет коммутаторами 11-1 и 11-2, пропускающими в этом случае эти входные величины, а именно наибольшее значение результата когерентного накопления с выхода блока накопления суммы корреляций по узлам сетки на интервале длительности пачки 10 Z_kqmax и результат некогерентного квадратичного накопления Ψ с выхода блока накопления суммы квадратов модулей комплексных амплитудных отсчетов 7 на первый и второй входы функциональной схемы сравнения 12 соответственно. При непревышении порогов обнаружения на выходе пороговых устройств 9-1 и 9-2 формируется сигнал отсутствия цели (0), запрещающий передачу Z_kqmax и/или Ψ на соответствующие входы функциональной схемы сравнения 12. Одновременно результат пороговой обработки с выхода пороговых устройств 9-1 и 9-2 подается на второй и третий входы арифметико-логического устройства формирования выхода 13.

В функциональной схеме сравнения 12 результат когерентного накопления с выхода блока накопления суммы корреляций по узлам сетки на интервале длительности пачки, подаваемый на первый вход, возводится в квадрат Z_kq ² и сравнивается с результатом некогерентного квадратичного накопления Ψ, подаваемым на второй вход, с формированием сигнала о превышении (1) или не превышении (0) величины на втором входе относительно величины на первом входе. В отсутствии хотя бы одного или обоих сигналов схема сравнения находится в неопределенном состоянии. Полученный таким образом результат сравнения подается на четвертый вход арифметико-логического устройства формирования выхода 13.

В арифметико-логическом устройстве формирования выхода 13 входные сигналы, соответствующие обнаружению цели в каналах некогерентного и когерентного накопления (второй и третий входы) значениям номеров каналов k₀, q₀ по скорости и ускорению, как результат идентификации канала максимального модуля накопленной суммы корреляций выборки сигнала и опорных сигналов (первый вход); и результат сравнения с выхода функциональной схемы сравнения (четвертый вход), подвергаются логической обработке в соответствии с алгоритмом:

решение о наличии быстро маневрирующей цели принимается в случае, если одновременно произошло обнаружение в некогерентном и когерентном канале (1 на втором и третьем входе) и выход функциональной схемы сравнения равен 1 (1 на четвертом входе);

решение о наличии маневрирующей цели принимается в случае, если произошло обнаружение в когерентном канале (1 на третьем входе) независимо от результата некогерентного обнаружения (0 или 1 на втором входе), при условиях, что выход функциональной схемы сравнения равен 0 (0 на четвертом входе) и значение номера канала по ускорению отлично от нуля;

решение об отсутствии маневрирующей цели принимается в случае, если произошло обнаружение в когерентном канале (1 на третьем входе) независимо от результата некогерентного обнаружения (0 или 1 на втором входе), при условиях, что выход функциональной схемы сравнения равен 0 (0 на четвертом входе) и значение номера канала по ускорению также равно нулю.

Одновременно в двух последних ситуациях производится расчет оценки скорости и ускорения цели в соответствии с выражениями

Полученные результаты кодируются в арифметико-логическом устройстве формирования выхода и передаются на устройства вторичной обработки сигналов.

Используемые при описании устройства обнаружения движущихся целей с различением их маневренных и скоростных характеристик структурные элементы не вызывают сложностей в технической реализации и могут быть осуществлены на современной микропроцессорной элементной базе или с использованием элементов с программируемой логической структурой (ПЛМ, ПЛИС).

Таким образом, заявляемый способ обнаружения движущихся целей с различением их маневренных и скоростных характеристик является промышленно применимым. Он может использоваться в активных импульсных когерентных радиолокационных системах обнаружения и наблюдения воздушно-космических целей для надежного обнаружения движущихся целей с различением их скоростных и маневренных характеристик, позволяющих осуществлять своевременную перенастройку системы вторичной обработки радиолокационного сигнала на работу по маневрирующей цели. Способ обладает существенными преимуществами перед известными способами, а именно, повышением достоверности обнаружения маневрирующей воздушно-космической цели с различением скоростных и маневренных характеристик в условиях наблюдения быстро маневрирующих целей при разрушении когерентности принимаемого сигнала. Заявляемое изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники, а значит имеет изобретательский уровень.

Источники информации

1. А. Фарина, Ф. Студер. Цифровая обработка радиолокационной информации. Сопровождение целей. – М.: Радио и связь. 1993, с. 223-224, рис. 4.15.

2. Патент №2235343 по заявке 2000101694/09 от 24.01.2000, опубл. 27.08.2004. Способ помехозащищенного обнаружения маневра цели и устройство для его реализации. Данилов С.Н., Иванков А.А., Малышев В.А.

3. Патент №2403590 по заявке 2008142596/09 от 27.10.2008, опубл. 10.11.2010. Способ помехозащищенного обнаружения маневра цели. Данилов С.Н., Рязанцев Л.Б.

4. Патент №2282873 по заявке 2004138168/09 от 27.12.2004, опубл. 27.08.2006. Способ обнаружения сигналов, отраженных от маневрирующей цели. Кошелев В.И., Белокуров В.А.

5. Кошелев В.И., Белокуров В.А. Адаптивное обнаружение маневрирующих целей - М.: Российское научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова, Цифровая обработка сигналов, 2005, №01 - с. 41-45.

6. Патент №2542347 по заявке 2013159048/07 от 30.12.2013, опубл. 20.02.2015. Способ адаптивной настройки каналов ускорения в многоканальном обнаружителе маневрирующей цели. Белокуров В.А., Козлов Д.Н., Кошелев В.И.

7. Кузьменков В.Ю., Логинов В.М. Способы и устройства совместного изменения радиальной скорости и радиального ускорения. - Радиотехника и электроника, 1997, т. 42, №12, с. 1465-1475.

Перечень фигур и чертежей

Фигура 1. Структурная схема обнаружителя движущихся целей с различением их маневренных и скоростных характеристик.

Claims

Способ обнаружения движущейся цели с различением скоростных и маневренных характеристик, заключающийся в том, что пространство зондируют пачкой когерентных радиоимпульсов, осуществляют фильтрацию и аналого-цифровое преобразование отраженного от движущейся цели комплексного сигнала, представленного синфазной (действительной) и квадратурной (мнимой) составляющими его огибающей в фильтре, согласованном с отдельным импульсом пачки, получают выборки сигналов на интервале длительности пачки, вычисляют суммы корреляций выборки сигнала и опорных сигналов, также представленных синфазной (действительной) и квадратурной (мнимой) составляющими и соответствующих по своим параметрам комплексной огибающей излучаемого сигнала в узлах сетки, покрывающей область возможных значений доплеровской частоты сигнала, принимаемого в стробе дальности, и ее производной, определяют максимум модуля суммы корреляций по узлам сетки с запоминанием значения максимума и соответствующих ему значений частоты сигнала и ее производной, отличающийся тем, что дополнительно вычисляют суммы квадратов модулей комплексного сигнала, возводят в квадрат максимум модуля суммы корреляций по узлам сетки, покрывающей область возможных значений доплеровской частоты сигнала и ее производной, и сравнивают его значение с полученной суммой квадратов модулей комплексного сигнала, причем решение об обнаружении движущейся цели принимается в случае превышения одним из этих значений соответствующего ему порога обнаружения, а в случае превышения порогов обнаружения и превышения суммы квадратов модулей комплексных амплитудных отсчетов над квадратом максимума модуля суммы корреляций выборки сигнала и опорных сигналов по узлам сетки принимается решение о наличии быстро маневрирующей цели, в остальных случаях принимается решение о наличии цели с параметрами скорости и ускорения, соответствующими узлу сетки, покрывающей область возможных значений доплеровской частоты сигнала и ее производной, в котором фиксируется максимум модуля суммы корреляций по узлам, причем, если этот максимум относится к узлам, соответствующим нулевым ускорениям, принимают решение об отсутствии маневра цели с соответствующим параметром скорости, а в остальных случаях принимается решение о наличии маневрирующей цели с соответствующими параметрами скорости и ускорения.