Митрофанов Дмитрий Геннадьевич

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ АЛГОРИТМЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

В ИНТЕРЕСАХ ИДЕНТИФИКАЦИИ ВОЗДУШНЫХ ОБЪЕКТОВ

Общество с ограниченной ответственностью "Смоленский

научно-инновационный центр радиоэлектронных систем "ЗАВАНТ"

Благодаря развитию цифровых способов обработки информации в экспериментальных радиолокационных станциях (РЛС) сегодня реализуются методы инверсного синтезирования апертуры, обеспечивающие высокое разрешение по поперечной координате. В результате было введено понятие доплеровского портрета объекта. А после получения высокого разрешения по дальности за счет обработки радиоимпульсов с широким спектром или за счет обработки сигналов с поимпульсной перестройкой несущей частоты стал нарицательным термин «дальностный портрет» объекта. Появилась идея объединения преимуществ двух указанных видов портретов в двумерном радиолокационном изображении (ДРЛИ) объекта, несущем информацию о его продольно-поперечной структуре и позволяющем проводить идентификацию объектов по их конфигурационным особенностям.

В предшествующие годы было разработано несколько оригинальных алгоритмов формирования ДРЛИ [1-2]. Однако в них не предусматривалась адаптация к ряду негативных факторов, которыми сопровождается обработка сигналов, отраженных реальными летательными аппаратами (ЛА) в турбулентной атмосфере. К этим факторам относятся рыскания планера ЛА при траекторных нестабильностях (ТН) полета, проявление турбовинтового эффекта (ТВЭ) и др. В результате был предложен адаптивный алгоритм формирования ДРЛИ ВО в условиях влияния негативных факторов [3]. Описанный алгоритм отличался от предложенных ранее еще и тем, что мог функционировать при хаотическом изменении несущей частоты от импульса к импульсу (от пачки к пачке), что повышало помехоустойчивость используемой РЛС. Однако для адаптации к рысканиям планера алгоритм предполагал проведение корреляционного анализа отражений на основной несущей частоте, что вынуждало использовать дополнительную посылку одночастотных сигналов. Кроме того, не было известно способов измерения радиальной скорости V_r в режиме поимпульсной перестройки частоты, тем более по случайному закону. Это, в свою очередь, вынуждало извлекать информацию о радиальной скорости ЛА за счет одночастотного излучения. Помехоустойчивость при этом снижалась. Из этого следует необходимость совершенствования известных алгоритмов формирования ДРЛИ. Для решения этой задачи целесообразно использовать получившие развитие частные алгоритмы адаптивной обработки отраженных сигналов, в том числе и с перестройкой частоты, способные устранить влияние негативных факторов.

Что касается устранения необходимости применения одночастотного зондирования, то для выявления закона изменения угловой скорости поворота ЛА целесообразно предложить сравнение не частотных характеристик (ЧХ), а их производных в форме импульсных характеристик или дальностных портретов (ДлП). Это объясняется тем, что частотные характеристики ЛА составляются из отраженных сигналов, закон изменения частоты которых отличается для каждой фракции из перестраиваемых по частоте импульсов. К тому же ДлП воздушного объекта (ВО) является результатом когерентного сложения сигналов, вследствие чего он в меньшей степени подчинен шумовым искажениям.

Идея предлагаемого алгоритма оценки закона изменения углового положения ВО в режиме изучения сигналов с перестройкой частоты (СПЧ) базируется на том, что ввиду интерференции сигналов, отраженных от рассеивающих центров (РЦ), принадлежащих одинаковым элементам дальности, амплитуда и фаза составляющих ДлП с течением времени закономерно трансформируются. Чем больше угловая скорость изменения ракурса ВО, тем значительнее разница между параметрами одинаковых элементов смежных ДлП. Поэтому для оценки угловой скорости поворота ЛА необходимо проводить анализ изменения комплексной амплитуды отражений в элементах дальности с одинаковым номером. Зависимость, отражающую угловую скорость изменения ракурса ВО и вычисляемую по разности комплексных амплитуд элементов смежных ДлП предлагается именовать траекторной характеристикой (ТХ). Для определения n-го элемента ТХ вычисляется усредненное по всем элементам дальности значение разности между мнимой и действительной квадратурными составляющими (квадратурами) смежных ДлП в соответствии с выражением

, (1)

где и – соответственно действительная и мнимая квадратурные составляющие k-го элемента разрешения n-го ДлП, K – количество элементов в ДлП, n – порядковый номер ДлП.

Разность амплитуд смежных ДлП, в которых отсутствуют отражения от реальных РЦ, при наличии шума будет иметь произвольное значение. Большое число таких элементов вносит существенные искажения в формируемую ТХ. Поэтому в интересах снижения влияния шума целесообразно использовать только те элементы дальности, в которых заключены отражения от РЦ поверхности планера ВО. Для этого в первом ДлП определяются номера элементов k, амплитуда сигнала в которых превышает установленный пороговый уровень H_por, который вычисляется как среднее арифметическое амплитуд всех элементов ДлП . В дальнейшем осуществляется сравнение амплитуд только в тех элементах дальности m, для которых в первом ДлП выполняется условие . Кроме того, необходимо компенсировать влияние радиального движения ВО за время накопления разночастотного массива отраженных сигналов. Результатом влияния радиального движения ЛА являются быстрые вариации квадратур, что существенно исказит ТХ. Не исключена и миграция откликов от РЦ из одного элемента разрешения в другой от портрета к портрету, что при использовании процедуры исключения элементов дальности, содержащих только шум, приведет к невозможности формирования ТХ. Для устранения влияния данного фактора используется алгоритм адаптивного диаграммоформирования [1].

Сформированная на основе предложенного алгоритма ТХ демонстрирует только характер изменения угловой скорости поворота, а не ее абсолютное значение. Поэтому полученную с помощью выражения (1) характеристику целесообразно нормировать.

Проверка разработанного алгоритма проведена методом математического моделирования. Моделировались рыскания планера самолета с амплитудой 2° и угловой скоростью 1,5°/с. Для построения каждого ДлП использовались отражения 128 сигналов с перестройкой несущей частоты в диапазоне 150 МГц и периодом следования Т_и=30 мкс. На рис. 1 представлена ТХ, сформированная на основе расчетов по формуле (1). Пунктирной линией показан априорно известный закон изменения угловой скорости (ЗИУС) поворота ЛА относительно линии визирования.

Рис. 1. Траекторная характеристика ВО

Первоначально формируемая ТХ имела большую изрезанность, поэтому для поиска локальных экстремумов следует проводить ее сглаживание. Чтобы при сглаживании не утрачивать информации о положении участков накопления, соответствующих различной угловой скорости поворота ЛА, время фиксации N_с отсчетов в частной выборке из состава ТХ, необходимых для реализации алгоритма усреднения, не должно превышать четверти минимального периода ТН Т_TN min. Уменьшение числа N_c приводит к снижению эффективности процедуры сглаживания. Таким образом, количество отсчетов N_с в частной выборке из состава цифрового массива ТХ с учетом времени накопления отраженных сигналов для формирования ДлП необходимо выбирать на основе неравенства . Пятикратное сглаживание сформированной ТХ методом скользящего среднего при N_c=100 трансформирует ТХ к виду, вполне приемлемому для выделения закона изменения угловой скорости поворота ВО.

Для оценки радиальной скорости ВО V_r в режиме излучения СПЧ предложен оригинальный алгоритм анализа структуры ДлП [4]. Он основан на том, что неверное фазирование элементов ЧХ приводит к хаосу в структуре ДлП и увеличению энтропии его состояния. Верное перефазирование элементов ЧХ, основанное на расчете фазовых сдвигов с учетом предполагаемой величины V_r и соответствующего изменения дальности до ВО в момент приема сигнала на определенной частоте, приводит к минимизации энтропии состояния ДлП, экстремальное значение которой указывает на величину истинной радиальной скорости ВО.

Совместное использование описанных алгоритмов устраняет необходимость применения одночастотного зондирования в ходе формирования ДРЛИ. Исследование свойств доплеровского портрета подсказало целесообразность его построения на интервале, соответствующем среднему значению угловой скорости поворота ЛА [5], поскольку именно на нем истинная величина угловой скорости поддается точному расчету.

Ниже предлагается усовершенствованный алгоритм формирования ДРЛИ ВО при использовании СПЧ, который предполагает:

выбор параметров СПЧ, используемых в режиме сопровождения ВО;

излучение последовательностей зондирующих импульсов в квазинепрерывном режиме с частотой заполнения, изменяющейся по случайному закону от импульса к импульсу или от пачки к пачке с вобуляцией частоты повторения внутри одночастотных пачек;

прием отраженных сигналов, их фильтрацию, усиление, когерентную обработку и запоминание их амплитуд и фаз в течение 5 секунд в избыточной матрице данных;

проведение преобразования Фурье с одночастотными пачками, нахождение в полученных доплеровских спектрах значений амплитуд и фаз планерной составляющей и формирование из них усредненных ЧХ с линейно-ступенчатым изменением частоты;

формирование из каждой усредненной ЧХ дальностного портрета ВО после оценки V_r и компенсации фаз, связанных с изменением дальности;

построение информативной ТХ объекта методом усреднения разностей между квадратурными составляющими в одноименных элементах смежных ДлП, содержащих отклики от РЦ, и сглаживания первоначально сформированной характеристики;

выбор с помощью ТХ момента времени t₀, соответствующего средней угловой скорости поворота ВО относительно линии визирования, и формирование дальностно-временной матрицы отражений на интервале Т_с, для которого t₀ является серединой;

фазовую автофокусировку комплексных данных в строках дальностно-временной матрице отражений (ДВМО) по фазе доминирующего отражателя;

весовую обработку ДВМО по одночастотным строкам;

проведение операции быстрого преобразования Фурье с элементами одночастотных строк ДВМО и получение дальностно-частотной матрицы отражений (ДЧМО);

оценку ракурса ВО и расчет угловой скорости его поворота, связанной исключительно с перемещением центра масс по боковой траектории;

масштабирование ДЧМО в поперечном направлении с учетом средней угловой скорости поворота и формирование ДРЛИ ВО.

Исследования выполняются в рамках гранта РФФИ № 13-07-97505 при финансовой поддержке администрации Смоленской области и РФФИ.

Литература

1. Стайнберг Б. Д. Формирование радиолокационного изображения самолета в диапазоне СВЧ // ТИИЭР, 1988. Т. 76. № 12.

2. Анфиногенов А. Ю., Школьный Л. А. Методы математического моделирования радиолокационных изображений искусственных распределенных объектов // Успехи современной радиоэлектроники, 1998. № 2.

3. Митрофанов Д. Г. Метод построения радиолокационных изображений аэродинамических летательных аппаратов // Полет, 2006. № 11.

4. Майоров Д. А., Савостьянов В. Ю., Митрофанов Д. Г. Измерение радиальной скорости воздушных объектов в режиме перестройки частоты // Измерительная техника, 2008. № 2.

5. Митрофанов Д. Г., Прохоркин А. Г., Нефедов С. И. Измерение поперечных размеров летательных аппаратов по частотной протяженности доплеровского портрета // Радиотехника, 2008. № 1.