RU2679396C2 - Способ оценки пространственного размера воздушной цели по частотной протяженности доплеровского портрета - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к радиолокационным методам и предназначено для извлечения из доплеровских портретов воздушной цели (ВЦ) признака идентификации в виде пространственного размера ВЦ, оцененного по частотной протяженности доплеровского портрета (ДпП). Достигаемый технический результат - разработка способа оценки пространственного размера ВЦ по протяженности ДпП путем учета дополнительных параметров. Указанный результат достигается за счет того, что значение пространственного размера ВЦ предлагается измерять с учетом ракурса локации ВЦ. Способ оценивания пространственного размера ВЦ заключается в том, что с помощью значений координат ВЦ, полученных из сигналов канала угловой автоматики и системы измерения дальности, рассчитывают путевую скорость ВЦ. Полученную путевую скорость используют для расчета курсового угла полета ВЦ относительно РЛС, а дальность, соответствующую серединному периоду повторения интервала регистрации данных, используют для расчета уточненной угловой скорости поворота ВЦ относительно РЛС. Исходя из полученных значений курсового угла полета ВЦ и уточненного значения угловой скорости ее поворота рассчитывают поперечный размер ВЦ. Поперечный размер ВЦ является проекцией пространственного на поперечное относительно линии визирования направление. С учетом величины курсового угла по выведенным формулам рассчитывают пространственный размер воздушной цели, используемый в качестве признака идентификации. 14 ил.

Description

Изобретение относится к радиолокационным методам и предназначено для извлечения из доплеровских портретов (ДпП) воздушных целей (ВЦ) признака идентификации в виде пространственного размера ВЦ, оцененного по частотной протяженности ДпП.

В настоящее время использование признаков идентификации ВЦ в виде радиолокационных портретов является общепринятым. Однако используемые методы построения портретов не обеспечивают адекватной оценки размеров или конфигурации ВЦ из-за того, что являются проекциями на поперечное или продольное направление и не учитывают пространственного расположения ВЦ. Вследствие этого идентификацию чаще проводят по простейшим признакам, извлекаемым из структуры ДпП. Одним из таких признаков является размер ВЦ, воспроизводимый протяженностью портрета [1].

В настоящее время известен способ оценки размера ВЦ по частотной протяженности ДпП, описанный в [2], заключающийся в том, что в направлении реальной ВЦ с помощью радиолокационной станции (РЛС) излучают сверхвысокочастотные импульсные сигналы одинаковой несущей частоты сантиметрового диапазона, последовательно принимают отраженные ВЦ сигналы, переводят РЛС после обнаружения воздушной цели в режим автоматического сопровождения по угловым координатам и дальности. Определяют дальность R до воздушной цели, дискретизируют отраженные от ВЦ сигналы с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) с периодом дискретизации Δt, который на порядок меньше длительности импульса τ_и. Записывают в память электронно-вычислительной машины (ЭВМ) амплитуду A_i,s и фазу ϕ_i,s каждого s-го отраженного сигнала и просочившегося в приемный тракт излученного сигнала каждого i-го периода повторения Т_и. Получают в каждом периоде повторения S дискретных отсчетов (фиг. 1). При этом в пределах длительности зондирующего сигнала (ЗС) для каждого периода повторения будет укладываться J дискретных отсчетов (фиг. 2). Проводят свертку принятых отраженных от ВЦ сигналов каждого i-го периода повторения с оцифрованным комплексно-сопряженным ЗС этого же периода повторения для получения откликов согласованного цифрового фильтра (фиг. 3) по формуле

где i=1…I - номер периода повторения РЛС; s=1…(S-J);

- комплексные значения отражений, получаемые после сжатия отраженного сигнала цифровым фильтром, соответствующие s-му отсчету отраженного сигнала в i-м периоде повторения;

,

- значения амплитуды и фазы отраженного сигнала, соответствующие (s+j-1)-му отсчету продискретизированного отраженного сигнала в i-м периоде повторения импульсов;

,

- значения амплитуды и фазы излученного сигнала, соответствующие j-му отсчету продискретизированного ЗС в i-м периоде повторения импульсов; I - количество периодов повторения ЗС, укладывающееся на интервале регистрации данных. Рассчитывают время прохождения излученного сигнала τ_вц до ВЦ и обратно по формуле

, где с - скорость распространения электромагнитных волн. Определяют предполагаемый номер отсчета g, на который при дальности R будет приходиться пик отраженного от ВЦ сигнала по формуле

, где round(*) - операция округления значения аргумента * до целого числа. В памяти ЭВМ РЛС формируют четырехстрочный массив отражений H_g (фиг. 4), в первую строку которого записывают номера используемых при анализе отражений i-x периодов повторения, во вторую - амплитуды

g-x отсчетов сжатого сигнала, которые соответствуют пикам откликов отраженного от воздушной цели сигнала в i-x периодах повторения, в третью - фазы

g-x отсчетов сжатого сигнала, которые соответствуют пикам откликов отраженных сигналов в i-x периодах повторения, в четвертую - моменты времени

, соответствующие амплитудам

и фазам

сжатых отраженных от воздушной цели сигналов в i-x периодах повторения. Формируют последовательность из амплитудных значений

массива H_g, которая графически представляет собой амплитудную отражательную характеристику (ОХ) ВЦ (фиг. 5). Из созданной последовательности, начиная с ее первого отсчета, последовательно извлекают d-e выборки C_d амплитуд отражений, смещенные друг относительно друга на один отсчет амплитудной ОХ, содержащие по N отсчетов (фиг. 6), причем

, где round0(*) - операция округления значения аргумента * до ближайшего предшествующего целого числа, Т_и - период повторения импульсов, а Т_ак - длительность интервала анализа корреляции, которую выбирают равной 0,5 с. Для каждой полученной выборки C_d формируют автокорреляционную функцию (АКФ) и определяют величину интервала корреляции τ_к (момент времени, когда АКФ первый раз становится равной нулю). Далее выбирают минимальную среди всех интервалов корреляции τ_к величину τ_кmin (фиг. 7). Определяют оценочное время корреляции τ_оц, равное величине 0,5 τ_кmin. Для каждой d-й выборки C_d определяют коэффициент корреляции (КК) z_d, соответствующий w-му отсчету АКФ, где

. Формируют в памяти ЭВМ РЛС двухстрочный массив H_z, в первую строку которого записывают соответствующие d-e номера АКФ, во вторую - соответствующие им оценочные КК z_d (фиг. 8). Из значений КК z_d массива H_z формируют последовательность, графически представляющую собой корреляционную характеристику (КХ) отражений ВЦ (фиг. 9). Проводят цифровым способом одним из известных методов, например, методом наименьших квадратов [3], сглаживание сформированной КХ (фиг. 10), то есть устраняют локальные максимумы и минимумы, оставляя только глобальные. Далее определяют в сглаженной КХ такой ее участок между соседними глобальными максимумом z_dmax и минимумом z_dmin, на котором максимальное z_dmax и минимальное z_dmin значения коэффициентов корреляции имеют наибольшее отличие (фиг. 10). Находят на этом участке точку КХ со значением КК z_{d сред}, которое наиболее точно соответствует величине

. Используют эту точку как середину информативного интервала синтезирования Т_ии длительностью Т_ии=0,5 с. По номеру выборки d_c, соответствующему КК z_{d сред}, определяют соответствующую d_c-ю выборку ОХ. Далее находят отсчет, соответствующий середине d_c-й выборки и определяют его номер в ОХ по формуле

. Принимают длительность Т_ии за длительность информативного интервала синтезирования Т_с. Вычисляют номера отсчетов в ОХ, которые являются началом i_н и концом i_к информативного интервала синтезирования по соответствующим формулам

,

, где round1(*) - операция округления значения аргумента * до ближайшего следующего целого числа. Из массива H_g отражений извлекают амплитудные и фазовые значения, входящие в интервал синтезирования Т_с, ограниченные номерами отсчетов слева i_н (начальный) и справа i_к (конечный). Далее создают в памяти ЭВМ РЛС четырехстрочный массив Н_и (фиг. 11), в первую строку которого записывают μ-е номера периодов повторения с 1-го по М-й, причем

, а μ-й номер в пределах массива Н_и соответствует (i_н+μ-1)-му номеру в исходной ОХ, во вторую - амплитуды

μ-х отсчетов участка ОХ, входящего в информативный интервал синтезирования, в третью - фазы

соответствующих μ-х отсчетов ОХ, принадлежащих информативному интервалу, в четвертую - моменты времени t_μ=(i_н+μ-1)Т_и, соответствующие амплитудам и фазам отраженных сигналов в μ-х периодах повторения. При этом первый элемент массива Н_и соответствует началу интервала синтезирования, то есть i_н-му элементу массива H_g, а последний элемент массива Н_и соответствует концу интервала синтезирования, то есть i_к-му элементу массива H_g. Далее проводят операцию быстрого дискретного преобразования Фурье с комплексными значениями

выборки, состоящей из 8-ми первых отсчетов массива Н_и, в результате преобразования получают начальный низкоинформативный доплеровский спектр. Определяют в полученном начальном низкоинформативном доплеровском спектре частоту Доплера

, которая соответствует максимальной по амплитуде составляющей спектра. Определяют радиальную скорость ВЦ в начале информативного интервала синтезирования

по формуле

, где λ - длина волны излученного сигнала. Проводят операцию быстрого дискретного преобразования Фурье с комплексными значениями выборки, состоящей из 8-ми последних отсчетов массива Н_и, в результате которого получают конечный низкоинформативный доплеровский спектр. После этого определяют в полученном конечном низкоинформативном доплеровском спектре частоту Доплера

, которая соответствует максимальной по амплитуде составляющей спектра. Определяют радиальную скорость ВЦ в конце интервала синтезирования

по формуле

. Определяют среднюю радиальную скорость

воздушной цели в пределах интервала синтезирования по формуле

. Далее определяют радиальное ускорение а_р воздушной цели на выбранном информативном интервале синтезирования по формуле

. Рассчитывают на основе полученных значений средней радиальной скорости

и ускорения а_р величину компенсируемой фазы для каждого t_μ-го момента времени, входящего в информативный интервал синтезирования по формуле

. Проводят компенсацию фазового влияния радиального движения воздушной цели на информативном интервале синтезирования путем изменения фазы по формуле

, где знак «-» соответствует движению воздушной цели в направлении радиолокационной станции, т.е. приближению, а знак «+» соответствует удалению ВЦ. Создают в памяти ЭВМ РЛС четырехстрочный массив Н_с (фиг. 12), в первую строку которого записывают номера периодов повторения с 1-го по М-й, во вторую - амплитуды

μ-x отсчетов ОХ, принадлежащих информативному интервалу синтезирования, в третью - скомпенсированные фазы

μ-х отсчетов ОХ, принадлежащих информативному интервалу синтезирования, в четвертую - моменты времени t_μ, соответствующие амплитудам и фазам отраженных сигналов в μ-x периодах повторения. Для осуществления быстрого дискретного преобразования Фурье полученный массив дискретных отсчетов расширяют путем ввода новых элементов с нулевыми значениями амплитуд и фаз, добиваясь числа элементов массива Н_с, равного Е=2^m, где Е - ближайшее целое число, удовлетворяющее условию Е=2^m и Е>М, m - целое число, например, m=8, m=9 и т.п. Проводят операцию быстрого дискретного преобразования Фурье с вектором комплексных величин

из массива Н_с [3, 4]. Получают массив Н_доп, содержащий Е комплексных значений спектра отраженного сигнала, который представляет собой доплеровский портрет ВЦ [5-12], полученный на информативном интервале синтезирования Т_с [2, 13-15]. В полученном массиве Н_доп, характеризующем доплеровский портрет, определяют крайний левый и крайний правый максимумы путем перебора и анализа амплитудных значений элементов массива Н_доп. Далее записывают в память ЭВМ РЛС номера отсчетов i_{н макс} и i_{к макс} в массиве Н_доп, соответствующих начальному и конечному максимумам. Вычисляют частотную протяженностью ΔF доплеровского портрета ВЦ по формуле ΔF=(i_{к макс}-i_{н макс})/Т_с. Предполагают, что все ВЦ движутся с близкими по величине курсовыми углами γ и заранее известной путевой скоростью V. Рассчитывают угловую скорость поворота ВЦ относительно РЛС по формуле

. На конечном этапе находят поперечный размер ВЦ по формуле

и принимают его за пространственный размер ВЦ.

Описанный способ не может быть признан эффективным вследствие того, что ряд параметров, используемых при определении размера ВЦ оцениваются недостаточно точно, а именно, при оценке размера ВЦ способом [2] предполагают, что все цели движутся с близкими по величине курсовыми углами γ и заранее известной путевой скоростью V, что выполняется не всегда, а точнее - почти никогда не выполняется. К тому же способ [2] приводит к измерению длины проекции L_⊥ силуэта (размера) ВЦ на поперечное относительно линии визирования направление [16], что не позволяет сравнивать ВЦ между собой, так как проекция крупной цели с меньшим ракурсом полета может быть равна проекции малой цели с большим ракурсом (с боковым ракурсом, с большой величиной курсового угла). Соответствующий протяженности сформированного ДпП размер ВЦ находится в зависимости от величины курсового угла ВЦ γ, что способом не учитывается. И наконец, дальность R до ВЦ в описанном выше способе [2] измеряется только в момент начала регистрации данных, а за время регистрации дальность до ВЦ меняется, вследствие чего ОХ, используемая для построения ДпП, формируется с искажениями, и результирующий ДпП имеет неточности в своей внутренней структуре.

Задачей изобретения является устранение неточностей, присущих известному способу оценки размера ВЦ по протяженности ДпП, т.е. совершенствование способа оценки размера ВЦ по протяженности ДпП путем учета дополнительных параметров, таких как координаты ВЦ, путевая скорость ВЦ, угловая скорость поворота относительно радиолокационной станции (РЛС), текущая (изменяемая во времени) дальность и др.

Для решения задачи изобретения предлагается дополнительно учесть ряд факторов. Например, предлагается учесть, что за время регистрации данных дальность до ВЦ меняется. В прототипе считалось, что при расчетах и преобразованиях можно ограничиться начальной дальностью. Между тем дальность до ВЦ не является постоянной, а значит ОХ, получаемая из отсчетов с номером g в каждом периоде повторения, не будет соответствовать во всех периодах повторения пикам отклика отраженного сигнала. Соответственно и ДпП ВЦ, полученный из фрагмента ОХ, получит искажения, ведущие к нарушению структуры ДпП. Расчет угловой скорости поворота ВЦ также ориентирован на использование начальной дальности до цели, что не совсем корректно. В новом способе при расчете угловой скорости поворота ВЦ предлагается использовать дальность, соответствующую серединному отсчету на интервале регистрации. Для этого предлагается измерять дальность в каждом периоде повторения и фиксировать ее значение с помощью АЦП. Также в способе [2] предполагают, что все ВЦ движутся с близкими по величине курсовыми углами γ и заранее известной путевой скоростью V, что в реальной обстановке не выполняется. Поэтому в новом способе предлагается по изменению координат ВЦ оценивать (рассчитывать) путь, проделанный целью, и определять путевую скорость полета. В способе [2] подразумевают проводить оценку поперечного размера ВЦ, который является проекцией пространственного размера ВЦ на поперечное относительно линии визирования направление. Соответствующий ширине сформированного ДпП поперечный размер ВЦ находится в зависимости от величины курсового угла ВЦ [17], что снижает информативность данного признака. Для получения пространственного размера ВЦ по частотной протяженности ДпП в новом способе предлагается учитывать реальный ракурс локации ВЦ, который можно рассчитать по соотношению радиальной и путевой скоростей полета ВЦ [].

Предлагаемый подход приводит к независимости измеряемого размера ВЦ от ракурса локации, что обеспечивает адекватность производимого измерения. Признак размера ВЦ, оцененного предлагаемым способом, может повысить результативность классификации объектов и информативность радиолокационной системы в целом.

В соответствии с изложенной выше идеей, предлагаемый способ оценки пространственного размера ВЦ по частотной протяженности доплеровского портрета заключается в том, что в направлении реальной ВЦ с помощью РЛС излучают сверхвысокочастотные импульсные сигналы одинаковой несущей частоты сантиметрового диапазона, последовательно принимают отраженные от ВЦ сигналы, переводят РЛС после обнаружения ВЦ в режим автоматического сопровождения по угловым координатам и дальности. Из сигналов канала угловой автоматики, пропорциональных углу места ε и азимуту β воздушной цели, с помощью соответствующих аналого-цифровых преобразователей в каждом i-м периоде повторения получают цифровые отсчеты угла места ε_i и азимута β_i. Определяют дальность до ВЦ R_i в каждом i-м периоде повторения. Дискретизируют отраженные ВЦ сигналы с помощью АЦП с периодом дискретизации Δt, который на порядок меньше длительности импульса τ_и. Записывают в память ЭВМ амплитуду A_i,s и фазу ϕ_i,s каждого s-го отраженного сигнала и просочившегося в приемный тракт излученного сигнала каждого i-го периода повторения Т_и. Получают в каждом периоде повторения S дискретных отсчетов (фиг. 1). При этом в пределах длительности ЗС для каждого периода повторения будет укладываться J дискретных отсчетов (фиг. 2). Проводят свертку принятых отраженных от ВЦ сигналов каждого i-го периода повторения с оцифрованным комплексно-сопряженным ЗС этого же периода повторения для получения откликов согласованного цифрового фильтра (фиг. 3) по формуле

где i=1…I - номер периода повторения РЛС; s=1…(S-J);

- комплексные значения отражений, получаемые после сжатия отраженного сигнала цифровым фильтром, соответствующие s-му отсчету отраженного сигнала в i-м периоде повторения;

,

- значения амплитуды и фазы отраженного сигнала, соответствующие (s+j-1)-му отсчету продискретизированного отраженного сигнала в i-м периоде повторения импульсов;

,

- значения амплитуды и фазы излученного сигнала, соответствующие j-му отсчету продискретизированного ЗС в i-м периоде повторения импульсов; I - количество периодов повторения ЗС, укладывающееся на интервале регистрации данных. Для каждого периода повторения Т_и рассчитывают время прохождения излученного сигнала до ВЦ и обратно по формуле

, где с - скорость распространения электромагнитных волн, на основании чего для каждого i-го периода повторения определяют номер отсчета g_i оцифрованного отраженного сигнала, на который при дальности до ВЦ R_i будет приходится пик отклика отраженного сигнала после согласованной фильтрации. Для этого используют формулу

. Используют значение g_i для расчета времени приема отраженного от воздушной цели сигнала в i-м периоде повторения по формуле t_i=[(i-1)S+g_i+round(J/2)]Δt. В памяти ЭВМ РЛС формируют четырехстрочный массив отражений H_g (фиг. 4), в первую строку которого записывают номера используемых при анализе отражений i-x периодов повторения, во вторую - амплитуды

g_i-х отсчетов сжатого сигнала, которые соответствуют пикам откликов отраженного от воздушной цели сигнала в i-x периодах повторения на дальности R_i, в третью - фазы

g-x отсчетов сжатого сигнала, которые соответствуют пикам откликов отраженных сигналов в i-x периодах повторения, в четвертую - моменты времени t_i=[(i-1)S+g_i+round(J/2)]Δt, соответствующие амплитудам

и фазам

сжатых отраженных от воздушной цели сигналов в i-x периодах повторения. Формируют последовательность из амплитудных значений

массива H_g, которая графически представляет собой амплитудную ОХ ВЦ (фиг. 5). Из созданной последовательности, начиная с первого отсчета, последовательно извлекают d-e выборки C_d амплитуд отражений, смещенные друг относительно друга на один отсчет амплитудной ОХ, содержащие по N отсчетов (фиг. 6), причем

, где round0(*) - операция округления значения аргумента * до ближайшего предшествующего целого числа, Т_и - период повторения импульсов, а Т_ак - длительность интервала анализа корреляции, равная Т_ак=0,5 с. Для каждой полученной выборки C_d формируют АКФ и определяют величину интервала корреляции τ_к (момент времени, когда АКФ первый раз становится равной нулю). Далее выбирают минимальную среди всех интервалов корреляции τ_к величину τ_кmin (фиг. 7). Определяют оценочное время корреляции τ_оц, равное величине 0,5 τ_кmin. Для каждой d-й выборки C_d определяют КК z_d, соответствующий w-му отсчету АКФ. Формируют в памяти ЭВМ РЛС двухстрочный массив H_z, в первую строку которого записывают соответствующие d-e номера АКФ, во вторую - соответствующие им оценочные КК z_d (фиг. 8). Из значений КК z_d формируют последовательность массива H_z, графически представляющую собой КХ отражений ВЦ (фиг. 9). Проводят цифровым способом одним из известных методов, например методом наименьших квадратов [3] сглаживание сформированной КХ (фиг. 10), то есть устраняют локальные максимумы и минимумы, оставляя только глобальные. Далее определяют в сглаженной КХ такой ее участок между соседними глобальными максимумом z_dmax и минимумом z_dmin, на котором максимальное z_dmax и минимальное z_dmin значения коэффициентов корреляции имеют наибольшее отличие. Находят на этом участке точку КХ со значением КК z_{d сред}, которое наиболее точно соответствует величине

(фиг. 10). Используют эту точку как середину информативного интервала синтезирования длительностью Т_ии=0,5 с. По номеру выборки d_c, соответствующей КК z_{d сред}, определяют соответствующую d_c-ю выборку ОХ. Далее находят отсчет, соответствующий середине d_c-й выборки и определяют его номер в ОХ по формуле

. Принимают длительность Т_ии за длительность информативного интервала синтезирования Т_с. Вычисляют номера отсчетов в ОХ, которые являются началом i_н и концом i_к информативного интервала синтезирования по соответствующим формулам

,

. Из массива H_g отражений извлекают амплитудные и фазовые значения, входящие в информативный интервал синтезирования Т_с, ограниченные номерами отсчета слева i_н (начальный) и справа i_к (конечный). Далее создают в памяти ЭВМ РЛС четырехстрочный массив Н_и (фиг. 11), в первую строку которого записывают μ-е номера периодов повторения с 1-го по М-й, причем

, а μ-й номер в пределах массива Н_и соответствует (i_н+μ-1)-му номеру в исходной ОХ, во вторую - амплитуды

μ-x отсчетов участка ОХ, входящего в информативный интервал синтезирования, в третью - фазы

соответствующих μ-х отсчетов ОХ, принадлежащих информативному интервалу синтезирования, в четвертую - моменты времени t_μ=(i_н+μ-1)Т_и, соответствующие амплитудам и фазам отраженных сигналов в μ-х периодах повторения. При этом первый элемент массива Н_и соответствует началу информативного интервала синтезирования, то есть i_н-му элементу массива H_g, а последний элемент массива Н_и соответствует концу информативного интервала синтезирования, то есть i_к-му элементу массива H_g. Далее проводят операцию быстрого дискретного преобразования Фурье с комплексными значениями

выборки, состоящей из 8-ми первых отсчетов массива Н_и, в результате которого получают начальный низкоинформативный доплеровский спектр. Определяют в полученном начальном низкоинформативном доплеровском спектре частоту Доплера

, которая соответствует максимальной по амплитуде составляющей спектра. Определяют радиальную скорость ВЦ в начале информативного интервала синтезирования

по формуле

. Проводят операцию быстрого дискретного преобразования Фурье с комплексными значениями выборки, состоящей из 8-ми последних отсчетов массива Н_и, в результате которого получают конечный низкоинформативный доплеровский спектр. Определяют в полученном конечном низкоинформативном доплеровском спектре частоту Доплера

, которая соответствует максимальной по амплитуде составляющей спектра. Определяют радиальную скорость ВЦ в конце интервала синтезирования

по формуле

. Определяют среднюю радиальную скорость

воздушной цели в пределах интервала синтезирования по формуле

. Далее определяют радиальное ускорение а_р ВЦ на выбранном информативном интервале синтезирования по формуле

. Рассчитывают на основе полученных значений средней радиальной скорости

и ускорения а_р величину компенсируемой фазы для каждого t_μ-го момента времени, входящего в информативный интервал синтезирования по формуле

. Проводят компенсацию фазового влияния радиального движения ВЦ на информативном интервале синтезирования путем изменения фазы по формуле

, где знак «-» соответствует движению ВЦ в направлении РЛС, т.е. приближению, а знак «+» соответствует удалению ВЦ. Создают в памяти ЭВМ РЛС четырехстрочный массив Н_с (фиг. 12), в первую строку которого записывают номера μ-x периодов повторения с 1-го по М-й, во вторую - амплитуды

μ-х отсчетов ОХ, принадлежащих информативному интервалу синтезирования, в третью - скомпенсированные фазы

μ-х отсчетов ОХ, принадлежащих информативному интервалу синтезирования, в четвертую - моменты времени t_μ, соответствующие амплитудам и фазам отраженных сигналов в μ-x периодах повторения. Для осуществления быстрого дискретного преобразования Фурье полученный массив дискретных отсчетов расширяют путем ввода новых элементов с нулевыми значениями амплитуд и фаз, добиваясь числа элементов массива Н_с, равного Е=2^m, где Е - ближайшее целое число, удовлетворяющее условию Е=2^m и Е>М, m - целое число. Проводят операцию быстрого дискретного преобразования Фурье с вектором комплексных величин

из массива Н_с. Получают массив Н_доп, содержащий Е комплексных значений спектра отраженного сигнала, который представляет собой доплеровский портрет ВЦ, полученный на информативном интервале синтезирования Т_с [5]. В полученном массиве Н_доп, характеризующем доплеровский портрет, определяют крайний левый и крайний правый максимумы путем перебора и анализа амплитудных значений элементов массива Н_доп. Далее записывают в память ЭВМ РЛС номера отсчетов i_нmax и i_кmax в массиве Н_доп, соответствующих начальному и конечному максимумам. Вычисляют частотную протяженность доплеровского портрета по формуле ΔF=(i_кmax-i_нmax)/T_c. С помощью цифровой вычислительной системы по известным формулам сферические координаты ВЦ 1-го и I-го периода повторения пересчитывают в прямоугольные координаты х, у, z соответствующих периодов повторения х₁, y₁, z₁ и x_I, y_I, z_I. Далее рассчитывают расстояние r, которое преодолела ВЦ за время регистрации отраженных сигналов по формуле

. С помощью цифровой вычислительной системы рассчитывают путевую скорость ВЦ V по формуле

. Рассчитывают курсовой угол ВЦ γ по формуле

(фиг. 13). Выбирают значение дальности, соответствующее серединному отсчету в интервале регистрации данных, равное R_I/2, на основе чего рассчитывают уточненное значение угловой скорости

поворота ВЦ относительно РЛС по формуле

. На основе рассчитанных данных определяют пространственный размер L_пр ВЦ по формуле

(фиг. 14).

Сущность изобретения заключается в следующем. Современные РЛС имеют возможность измерять большое число параметров ВЦ, а для оценки размера ВЦ ранее использовалось ограниченное число параметров. К параметрам, учет которых может обеспечить уточнение размера ВЦ, относятся координаты ВЦ, ее путевая скорость, угловая скорость поворота относительно РЛС, текущая (изменяемая во времени) дальность и др. Способ предполагает учет этих дополнительных параметров при расчете пространственного размера ВЦ по протяженности ее ДпП.

Процесс уточнения величины пространственного размера L_пр можно пояснить следующими расчетными выражениями. Для расчета L_пр, как показано выше, может быть использована формула

. В нее входит уточненное значение угловой скорости поворота ВЦ

. Для получения величины уточненной угловой скорости поворота

ВЦ относительно РЛС может быть использована формула

. В ней используется величина дальности до ВЦ. Поскольку дальность на интервале регистрации данных меняется, для расчета

целесообразно использовать дальность, соответствующую середине интервала регистрации. А для этого необходимо из сигналов системы измерения дальности, пропорциональных дальности до ВЦ, с помощью АЦП получать для каждого i-го периода повторения цифровое значение дальности R_i, что и предполагает новый способ. Далее выбирают среднее за интервал регистрации значение дальности R_cp, соответствующее серединному отсчету в интервале регистрации данных R_cp=R_I/2.

В интересах более корректного формирования ОХ ВЦ величины амплитуд и фаз целесообразно извлекать из точек, соответствующих пикам откликов отраженного сигнала. А пик отклика от периода к периоду перемещается в соответствии с изменением дальности. Поэтому для каждого периода повторения рассчитывают время прохождения излученного сигнала до ВЦ и обратно по формуле

. На основании этого для каждого i-го периода повторения определяют номер отсчета g_i оцифрованного отраженного сигнала, на который при дальности до воздушной цели R_i будет приходиться пик отклика отраженного сигнала после согласованной фильтрации. Для расчета номера отсчета g_i отраженного сигнала i-го периода повторения, из которой следует извлекать значение амплитуды и фазы отражений в i-м периоде, предложено использовать формулу

.

Для расчета (получения) путевой скорости V ВЦ из сигналов канала угловой автоматики РЛС, пропорциональных углу места ε и азимуту β ВЦ, с помощью соответствующих АЦП в каждом i-м периоде повторения получают цифровые отсчеты угла места ε_i и азимута β_i. По известным формулам сферические координаты первого и I-го периодов повторения пересчитывают в прямоугольные координаты х, y, z соответствующих периодов повторения x₁, y_1, z₁ и x_I, y_I, z_I, на основе чего рассчитывают расстояние r, которое преодолела ВЦ за время регистрации отраженных сигналов по формуле

. Расчет путевой скорости V ВЦ предложено проводить по формуле

, для чего имеются все необходимые величины. Для получения величины курсового угла γ предложено использовать формулу

, внутренние переменные которой известны.

Значение ракурса ВЦ γ необходимо для пересчета поперечного размера ВЦ L_⊥ в ее пространственный размер L_пр по формуле L_пр=L_⊥/sinγ, что в общем виде эквивалентно расчету по формуле

Способ легко реализуем за счет обработки отраженных сигналов в цифровом виде. Способ не требует введения в структуру радиолокационной станции новых элементов, вследствие чего является осуществимым на современном уровне развития техники. Извлекаемый из ДпП признак идентификации ВЦ в виде ее пространственного размера может быть использован в существующих радиолокационных станциях сопровождения для классификации и идентификации воздушных целей как автономно, так и в качестве дополнительного признака в совокупности с другими. Это, в свою очередь, может привести к улучшению информационных возможностей радиолокационной системы, используемой, к примеру, на аэродромах при контроле воздушного движения по трассовым коридорам пролета.

Источники информации

1. Патент РФ №2562060 от 7.08.2015 г. Способ извлечения из доплеровских портретов воздушных объектов признаков идентификации с использованием метода сверхразрешения. Романенко А.В., Митрофанов Д.Г. и др. Заявка №2014125641 от 24.06.2014 г. МПК G01S 13/90.

2. Митрофанов Д.Г., Прохоркин А.Г., Нефедов С.И. Измерение поперечных размеров летательных аппаратов по частотной протяженности доплеровского портрета // Радиотехника, 2008. №1. С. 84-90 (прототип).

3. Кирьянов Д.В., Mathcad 13, СПб., БХВ-Петербург, 2006. 608 с.

4. Селекция и распознавание на основе локационной информации / Под ред. А.Л. Горелика. М., Радио и связь, 1990. 240 с.

5. Комплексный адаптивный метод построения радиолокационных изображений в системах управления двойного назначения // Теория и системы управления. Известия РАН, 2006. №1. С. 101-118.

6. Митрофанов Д.Г. Метод построения радиолокационных изображений аэродинамических летательных аппаратов // Полет, 2006. №11. С. 52-60.

7. Радиолокационные характеристики летательных аппаратов / Под ред. Л.Т. Тучкова. М., Радио и связь, 1985. 236 с.

8. Митрофанов Д.Г. Влияние амплитудного и фазового шума на качество формирования радиолокационного изображения // Радиотехника и электроника, 1995. Т. 40. №4. С. 586-590.

9. Патент РФ №2066059. МПК G01S 13/89. Способ построения двумерного радиолокационного изображения в РЛС сопровождения прямолинейно движущейся цели / Митрофанов Д.Г. БИ №24, 1996.

10. Патент РФ №2099742. МПК G01S 13/89. Триангуляционный способ построения двумерного радиолокационного изображения цели в РЛС сопровождения с инверсным синтезированием апертуры / Митрофанов Д.Г. БИ №35, 1997.

11. Митрофанов Д.Г. Развитие методов формирования доплеровских портретов и двумерных радиолокационных изображений воздушных целей // Оборонная техника, 1998. №10-11. С. 75-81.

12. Митрофанов Д.Г. Синтез радиолокационного изображения цели методом математического моделирования ее доплеровских портретов. Киев, Радиоэлектроника. Известия вузов, 1994. Т. 37. №3. С. 72-76.

13. Митрофанов Д.Г. Формирование двумерного радиолокационного изображения цели с траекторными нестабильностями полета // Радиотехника и электроника. РАН, 2002. Т. 47. №7. С. 852-859.

14. Митрофанов Д.Г. Построение двумерного изображения объекта с использованием многочастотного зондирующего сигнала // Измерительная техника. 2001. №2. С. 57-62.

15. Митрофанов Д.Г. Развитие способа выбора интервала инверсного синтезирования при наличии траекторных нестабильностей полета воздушного объекта. Сборник докладов XVII международной НТК «RLNC-2011». 2011. Воронеж: НПФ «САКВОЕЕ» ООО. С. 2251-2258.

16. Радиолокационные системы. Справочник. Основы построения и теория / Под ред. Я.Д. Ширмана. М., Радиотехника, 2007. 510 с.

17. Небабин В.Г., Сергеев В.В. Методы и техника радиолокационного распознавания. - М.: Радио и связь, 1984.

18. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. М., Сов. радио, 1973. 496 с.

Claims (3)

1. Способ оценки пространственного размера воздушной цели по частотной протяженности доплеровского портрета, заключающийся в том, что в направлении реальной воздушной цели с помощью радиолокационной станции излучают сверхвысокочастотные импульсные сигналы одинаковой несущей частоты сантиметрового диапазона, последовательно принимают отраженные от воздушной цели сигналы, переводят радиолокационную станцию после обнаружения воздушной цели в режим автоматического сопровождения по угловым координатам и дальности, определяют дальность R до воздушной цели, дискретизируют с помощью аналого-цифрового преобразователя с периодом дискретизации Δt, который на порядок меньше длительности импульса τ_и, и записывают в память электронно-вычислительной машины амплитуду A_i,s и фазу ϕ_i,s каждого s-го отраженного сигнала и просочившегося в приемный тракт излученного сигнала каждого i-го периода повторения, получая в каждом периоде повторения S дискретных отсчетов, при этом в пределах длительности зондирующего сигнала для каждого периода повторения будет укладываться J дискретных отсчетов, проводят свертку принятых отраженных от воздушной цели сигналов каждого i-го периода повторения с оцифрованным комплексно-сопряженным зондирующим сигналом этого же периода повторения для получения откликов согласованного цифрового фильтра по формуле
2. 
3. где i=l…I - номер периода повторения радиолокационной станции; s=1…(S-J);

   

   - комплексные значения отражений, получаемые после сжатия отраженного сигнала цифровым фильтром, соответствующие s-му отсчету отраженного сигнала в i-м периоде повторения;

   

   - значения амплитуды и фазы отраженного сигнала, соответствующие (s+/-1)-му отсчету продискретизированного отраженного сигнала в i-м периоде повторения импульсов;

   

   - значения амплитуды и фазы излученного сигнала, соответствующие j-му отсчету продискретизированного зондирующего сигнала в i-м периоде повторения импульсов; I - количество периодов повторения зондирующего сигнала, укладывающееся на интервале регистрации данных, рассчитывают время прохождения излученного сигнала τ_вц до воздушной цели и обратно по формуле

   

   где с - скорость распространения электромагнитных волн, определяют предполагаемый номер отсчета g, на который при дальности R будет приходиться пик отраженного от воздушной цели сигнала по формуле

   

   где round(*) - операция округления значения аргумента * до целого числа, в памяти электронно-вычислительной машины радиолокационной станции формируют четырехстрочный массив отражений H_g, в первую строку которого записывают номера используемых при анализе отражений i-x периодов повторения, во вторую - амплитуды

   

   g-x отсчетов сжатого сигнала, которые соответствуют пикам откликов отраженного от воздушной цели сигнала в i-x периодах повторения, в третью - фазы

   

   g-x отсчетов сжатого сигнала, которые соответствуют пикам откликов отраженных сигналов в i-x периодах повторения, в четвертую - моменты времени

   

   соответствующие амплитудам

   

   и фазам

   

   сжатых отраженных от воздушной цели сигналов в i-x периодах повторения, формируют последовательность из амплитудных значений

   

   массива H_g, которая графически представляет собой амплитудную отражательную характеристику воздушной цели, из созданной последовательности, начиная с первого отсчета, последовательно извлекают d-e выборки амплитуд отражений C_d, содержащие по N отсчетов, смещенные относительно друг друга на один отсчет амплитудной отражательной характеристики, причем

   

   где round0(*) - операция округления значения аргумента * до ближайшего предшествующего целого числа, Т_и - период повторения импульсов, а Т_ак - длительность интервала анализа корреляции, равная Т_ак=0,5 с, для каждой полученной выборки C_d формируют автокорреляционную функцию и определяют величину интервала корреляции τ_к (момент времени, когда автокорреляционная функция первый раз становится равной нулю), выбирают минимальную среди всех интервалов корреляции τ_к величину τ_кmin, определяют оценочное время корреляции τ_оц, равное величине 0,5τ_кmin, нумеруют полученные автокорреляционные функции, определяют для каждой d-й выборки C_d коэффициент корреляции z_d, соответствующий w-му отсчету автокорреляционной функции, где

   

   формируют в памяти электронно-вычислительной машины радиолокационной станции двухстрочный массив H_z, в первую строку которого записывают соответствующие d-e номера автокорреляционной функции, во вторую - соответствующие им оценочные коэффициенты корреляции z_d, формируют последовательность из значений коэффициентов корреляции z_d массива H_z, графически представляющую собой корреляционную характеристику отражений воздушной цели, проводят сглаживание сформированной корреляционной характеристики, то есть устраняют локальные максимумы и минимумы, оставляя только глобальные, определяют в сглаженной корреляционной характеристике такой ее участок между смежными глобальными максимумом z_dmax и минимумом z_dmin, на котором максимальное z_dmax и минимальное z_dmin значения коэффициентов корреляции имеют наибольшее отличие, находят на этом участке точку корреляционной характеристики со значением коэффициента корреляции z_{d сред}, которое наиболее точно соответствует величине

   

   используют эту точку как середину информативного интервала синтезирования длительностью Т_ии=0,5 с, по номеру выборки d, соответствующей коэффициенту корреляции z_{d сред}, определяют соответствующую d-ю выборку отражательной характеристики, находят отсчет, соответствующий середине d-й выборки и определяют его номер в отражательной характеристике по формуле

   

   принимают длительность Т_ии за длительность информативного интервала синтезирования Т_с, вычисляют номера отсчетов в отражательной характеристике, которые являются началом i_н и концом i_к информативного интервала синтезирования по соответствующим формулам

   

   где roundl(*) - операция округления значения аргумента * до ближайшего следующего целого числа, из массива H_g отражений извлекают амплитудные и фазовые значения, входящие в интервал синтезирования Т_с, ограниченные номерами отсчета слева i_н и справа i_к, создают в памяти электронно-вычислительной машины радиолокационной станции четырехстрочный массив Н_и, в первую строку которого записывают μ-е номера периодов повторения с 1-го по М-й, причем

   

   а μ-й номер в пределах массива Н_и соответствует (i_н+μ-1)-му номеру в исходной отражательной характеристике, во вторую - амплитуды

   

   μ-x отсчетов участка отражательной характеристики, входящего в информативный интервал синтезирования, в третью - фазы

   

   соответствующих μ-х отсчетов отражательной характеристики, принадлежащих информативному интервалу синтезирования, в четвертую - моменты времени t_μ=(i_н+μ-1)Т_и, соответствующие амплитудам и фазам отраженных сигналов в μ-x периодах повторения, при этом первый элемент массива Н_и соответствует началу информативного интервала синтезирования, то есть i_н-му элементу массива H_g, а последний элемент массива Н_и соответствует концу информативного интервала синтезирования, то есть i_к-му элементу массива H_g, проводят операцию быстрого дискретного преобразования Фурье с комплексными значениями

   

   выборки, состоящей из 8-ми первых отсчетов массива Н_и, в результате которого получают начальный низкоинформативный доплеровский спектр, определяют в полученном начальном низкоинформативном доплеровском спектре частоту Доплера

   

   которая соответствует максимальной по амплитуде составляющей спектра, определяют радиальную скорость воздушной цели в начале информативного интервала синтезирования

   

   по формуле

   

   где λ - длина волны излученного сигнала, проводят операцию быстрого дискретного преобразования Фурье с комплексными значениями выборки, состоящей из 8-ми последних отсчетов массива Н_и, в результате которого получают конечный низкоинформативный доплеровский спектр, определяют в полученном конечном низкоинформативном доплеровском спектре частоту Доплера

   

   которая соответствует максимальной по амплитуде составляющей спектра, определяют радиальную скорость воздушной цели в конце информативного интервала синтезирования

   

   по формуле

   

   определяют среднюю радиальную скорость

   

   воздушной цели в пределах информативного интервала синтезирования по формуле

   

   определяют радиальное ускорение а_р воздушной цели на выбранном информативном интервале синтезирования по формуле

   

   рассчитывают на основе полученных значений средней радиальной скорости

   

   и ускорения а_р величину компенсируемой фазы для каждого t_μ-го момента времени, входящего в информативный интервал синтезирования по формуле

   

   проводят компенсацию фазового влияния радиального движения воздушной цели на информативном интервале синтезирования путем изменения фазы по формуле

   

   где знак «-» соответствует движению воздушной цели в направлении радиолокационной станции, т.е. приближению, а знак «+» соответствует удалению воздушной цели, создают в памяти электронно-вычислительной машины радиолокационной станции четырехстрочный массив Н_с, в первую строку которого записывают номера периодов повторения с 1-го по М-й, во вторую - амплитуды

   

   μ-х отсчетов отражательной характеристики, принадлежащих информативному интервалу синтезирования, в третью - скомпенсированные фазы

   

   μ-х отсчетов отражательной характеристики, принадлежащих интервалу синтезирования, в четвертую - моменты времени t_μ, соответствующие амплитудам и фазам отраженных сигналов в μ-х периодах повторения, для осуществления быстрого дискретного преобразования Фурье полученный массив дискретных отсчетов расширяют путем ввода новых элементов с нулевыми значениями амплитуд и фаз, добиваясь числа элементов массива Н_с, равного Е=2^m, где Е - ближайшее целое число, удовлетворяющее условию Е=2^m и Е>М, m - целое число, проводят операцию быстрого дискретного преобразования Фурье с вектором комплексных величин

   

   из массива Н_с, получают массив Н_доп, содержащий Е комплексных значений спектра отраженного сигнала, который представляет собой доплеровский портрет воздушной цели, полученный на информативном интервале синтезирования Т_с, в полученном массиве Н_доп, характеризующем доплеровский портрет, определяют крайний левый и крайний правый максимумы путем перебора и анализа амплитудных значений элементов массива Н_доп, записывают в память электронно-вычислительной машины радиолокационной станции номера отсчетов i_нmax и i_кmax из массива Н_доп, соответствующих начальному и конечному максимумам, вычисляют частотную ширину доплеровского портрета по формуле ΔF=(i_кmax-i_нmax)/T_c, считают, что все воздушные цели движутся с одинаковым курсовым углом γ и заранее известной путевой скоростью V, рассчитывают угловую скорость поворота воздушной цели относительно радиолокационной станции по формуле

   

   рассчитывают поперечный размер воздушной цели по формуле

   

   отличающийся тем, что из сигналов канала угловой автоматики, пропорциональных углу места ε и азимуту β воздушной цели, с помощью соответствующих аналого-цифровых преобразователей в каждом i-м периоде повторения получают цифровые отсчеты угла места ε_i и азимута β_i, а из сигналов системы измерения дальности, пропорциональных дальности до воздушной цели, с помощью аналого-цифрового преобразователя получают для каждого i-го периода повторения цифровое значение дальности R_i, для каждого периода повторения рассчитывают время прохождения излученного сигнала до воздушной цели и обратно по формуле

   

   на основании чего для каждого i-го периода повторения определяют номер отсчета g_i оцифрованного отраженного сигнала, на который при дальности до воздушной цели R_i будет приходится пик отклика отраженного сигнала после согласованной фильтрации, применяя при этом формулу

   

   используют значение g_i для расчета времени приема отраженного от воздушной цели сигнала в i-м периоде повторения по формуле

   

   с помощью электронно-вычислительной машины сферические координаты воздушной цели 1-го и I-го периодов повторения пересчитывают в прямоугольные координаты х, у, z соответствующих периодов повторения х₁, у₁, z₁ и x_I, y_I, z_I, на основе чего рассчитывают расстояние r, которое преодолела воздушная цель за время регистрации отраженных сигналов по формуле

   

   с помощью электронно-вычислительной машины рассчитывают путевую скорость V воздушной цели по формуле

   

   рассчитывают курсовой угол γ воздушной цели по формуле

   

   выбирают значение дальности, соответствующее серединному отсчету в интервале регистрации данных, равное R_I/2, на основе чего рассчитывают уточненное значение угловой скорости

   

   поворота воздушной цели относительно радиолокационной станции по формуле

   

   на основе рассчитанных данных определяют пространственный размер L_пр воздушной цели по формуле

   

Images