Распознавание по узкополосным сигналам

Статистические характеристики отраженных сигналов на входе приемного устройства определяются физическими, геометрическими и конструктивными особенностями воздушных объектов. Реализация методов распознавания определяется видом зондирующих сигналов и способами их обработки. При использовании узкополосных сигналов информативными признаками для распознавания являются:

· эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) воздушных объектов;

· ширина спектра амплитудных флюктуаций (DF);

· частота Доплера отраженных сигналов (F_Д);

· корреляционная зависимость сигналов (r) (межканальная или межпериодная);

· поляризационные характеристики отраженных сигналов.

При оценке ЭПР необходимо исключить в приемном тракте ограничение сигналов для сохранения их амплитудных различий. При расчете ЭПР наибольшую сложность будет представлять учет формы диаграммы направленности антенны, которая может сильно искажаться в результате влияния рельефа позиции и аномальных атмосферных явлений. Кроме того, на точность оценки ЭПР влияет состояние и режимы работы тракта обработки сигналов.

Величина ЭПР определяется рядом факторов, к которым можно отнести: линейные размеры объекта, геометрическую форму, угловое положение объекта относительно РЛС, параметры зондирующих сигналов. Для большинства воздушных объектов поле вторичного излучения носит интерференционный характер и проявляется он тем сильнее, чем больше отношение линейных размеров объекта к длине волны.

Для определения ЭПР воздушных объектов наиболее целесообразен метод, основанный на непосредственных измерениях энергии принятого сигнала с последующим пересчетом ее значения с учетом пространственных координат воздушных объектов, формы и размеров диаграммы направленности антенны. Возможны два подхода к решению задачи оценки ЭПР (s).

1. Диаграмма направленности антенны имеет достаточно большое число парциальных лучей в угломестной плоскости. Оценка s обеспечивается непосредственным измерением энергии принятых сигналов.

2. В системах с однолепестковой диаграммой направленности все сложнее. Угломестная диаграмма направленности антенны может значительно отличаться от диаграммы в свободном пространстве. Отличия обусловлены интерференционными явлениями, воздействием внешних источников помех.

Сложность формы диаграммы обратного вторичного излучения приводит к флюктуациям амплитуды отраженных сигналов. Распределение амплитудных флюктуаций описывается в общем случае т распределением Накагами и в активной радиолокации связаны с распределением ЭПР.

Устройство распознавания по величине ЭПР с учетом распределения амплитудных флюктуаций может быть выполнено по схеме, изображенной на рис.4.57.[8]

Х

Х

S

S

S

lnUi

ПУ

Решение

Ui

a1

a2

Uпор.

Рис.4.57. Устройство распознавания по величине ЭПР

Обозначенные на рисунке параметры a₁ и a₂ определяются следующим образом:

,

где – ЭПР распознаваемых объектов;

т₁ – распределение Накагами первого объекта;

т₂ – распределение Накагами второго объекта.

Распознавание может быть реализовано путем оценки спектра амплитудных флюктуаций импульсов пачки отраженного сигнала. Характер модуляции амплитудных флюктуаций зависит от спектра зондирующего сигнала, физических и геометрических свойств объектов. Диапазон спектральных составляющих огибающей отраженного сигнала можно разбить на ряд областей.

1. Область спектральных составляющих, обусловленных перемещением объекта по траектории. Диапазон частот составляет единицы-сотни герц. Величины частотных составляющих спектра мало зависят от размеров объекта.

2. Область спектральных составляющих, обусловленных колебаниями и вибрацией элементов конструкции, рысканиями по курсу, тангажу и крену. Диапазон частот – единицы-сотни герц.

3. Область спектральных составляющих, обусловленных вращением винтов самолета (область частот 50-1400 Гц) и «турбинная» модуляция (единицы-десятки кГц).

На рис.4.58 изображен, для примера, спектр амплитудных флюктуаций отраженного от воздушного объекта сигнала.

Для оценки ширины спектра амплитудных флюктуаций наиболее простыми и достаточно эффективными являются схемы череспериодного вычитания (ЧПВ), которые компенсируют сигналы нефлюктуирующие и выделяют разность амплитуд соседних импульсов. По величине остатков можно судить о характере объекта. Для реализации такого метода может служить устройство, структурная схема которого изображена на рис.4.59.

Детектор Амплитудный

Однократ. ЧПВ

Не когерентн. накопитель

Не когерентн. накопитель

Пороговое устройствоо

Uвх.

Uпор.

Рис. 3.59. Устройство распознавания по величине амплитудных флюктуаций импульсов пачки

Алгоритм работы предполагает сравнение двух сигналов: накопленного сигнала, прошедшего схему однократного ЧПВ, и накопленного входного сигнала. При нефлюктуирующей пачке отношение сигналов мало. С ростом амплитудных флюктуаций отношение увеличивается. Пороговая обработка позволяет разделить сигналы с различной шириной спектра амплитудных флюктуаций.

Еще одним признаком для распознавания является частота Доплера отраженных сигналов. На рис.4.60 изображен спектр доплеровских частот сигналов, отраженных от воздушного объекта.

Спектр доплеровских частот зависит от ряда факторов. Максимальную мощность имеет спектральная составляющая, обусловленная отражением сигналов от корпуса самолета. При изменении скорости движения воздушного объекта, курса, при виражах происходит сдвиг спектральных составляющих на оси частот, их расширение или сужение. Из-за движения объекта и его составных частей, а также вследствие рысканий по курсу, тангажу и крену относительно РЛС отраженный сигнал оказывается флюктуирующим.

В качестве примера схемной реализации устройства распознавания по частоте Доплера может быть следующее (рис.4.61)

Фильтр доплер. 1

Пороговое устройство

Фильтр доплер. N

устройствообработки

Детектор фазовый

Uвх.

Uпор.

Рис. 4.61. Устройство распознавания по FД.

В процессе работы отклики фильтров запоминаются на время анализа (это время соответствует длительности вобулированной последовательности импульсов запуска n×N×T), суммируются и сравниваются с порогом. Для сигналов с малой F_Д при всех частотах повторения максимальный выходной отклик будет иметь место в одном фильтре. Суммирование реализуется таким образом, что суммарный результат возрастает только в том случае, если суммируются отклики различных фильтров. Если выходной сигнал только в одном фильтре (F_Д мала) суммарный результат равен величине этого отклика. При увеличении F_Д максимальные отклики будут появляться на выходах различных фильтров. Пороговая обработка позволяет разделить объекты с различными значениями доплеровской частоты.

Корреляционный признак распознавания может быть использован при анализе коэффициента межканальной (межпериодной) корреляции отраженных сигналов. Схемные решения могут быть разноплановыми. Для двухканальных по частоте систем распознавания требуется два канала обработки. Оптимальной при этом является раздельная обработка по каналам, и затем когерентное объединение информации каналов.

Коэффициент корреляции r отраженных сигналов в различных частотных каналах с длинами волн l₁ и l₂ при радиальном размере объекта зависит от соотношения , что может быть использовано для распознавания воздушных объектов. В качестве устройства оценки коэффициента корреляции может быть применен корреляционный автокомпенсатор.

Управляющее напряжение, действующее в цепи обратной связи корреляционного автокомпенсатора, включает в себя комплексный коэффициент передачи , который определяется следующим образом:

,

где – коэффициент корреляции комплексных амплитуд сигналов двух частотных каналов;

– дисперсии напряжений частотных каналов.

Анализ напряжения, действующего в цепи обратной связи одноканального корреляционного автокомпенсатора, позволяет установить степень корреляции сигналов в различных частотных каналах и реализовать распознавание воздушных объектов по корреляционному признаку.

Устройство распознавания может быть выполнено в соответствии со схемой, изображенной на рис.4.62.[9]

Х

Х

S

Нейронная сеть

Решение

Uвых.

Рис. 4.62. Устройство распознавания по корреляционному признаку

Если воздушный объект простой (один отражающий элемент), междуканальный коэффициент корреляции r стремится к единице. Сложный воздушный объект с большим числом «блестящих» точек создает отраженный сигнал с малым коэффициентом r (r®0).

Незначительное изменение схемы позволяет проводить оценку межпериодного коэффициента корреляции и на ее основе реализовать распознавание воздушных объектов.

Поляризационные характеристики отраженных сигналов являются еще одним признаком распознавания. При облучении воздушных объектов имеет место явление деполяризации, степень которой определяется электрическими свойствами и формой объектов, длиной волны и условиями распространения.

Электрическое поле, создаваемое отраженными от воздушного объекта сигналами, можно записать в следующем виде:

, (4.39)

где – поляризационная матрица рассеяния

(Г – горизонтальная поляризация, В – вертикальная).

Элементы поляризационной матрицы рассеяния содержат амплитудные и фазовые составляющие. Например:

, (4.40)

где – амплитудные элементы;

– фазовые элементы.

Для изотропных пространства и цели справедлива теория взаимности, в силу которой

.

Начальная фаза, например j_ГГ, не может являться характеристикой воздушного объекта. В этом случае поляризационная матрица рассеяния описывается тремя независимыми амплитудными и двумя независимыми фазовыми элементами. Для полного определения элементов матрицы необходимо как минимум два раза облучить объект волнами различной поляризации. Для случая, когда падающая волна линейно поляризована, измерение элементов поляризационной матрицы рассеяния сводится к измерению двух амплитудных ( ) и одного фазового ( ) элементов (предполагается, что падающая волна имеет горизонтальную поляризацию).

При одновременной оценке амплитудных и фазовых элементов может быть применено устройство распознавания по корреляционному признаку (см. рис.4.62). В этом случае и являются сигналами с выходов приемников различных поляризационных каналов (с горизонтальной и вертикальной поляризациями).

При оценке только амплитудных элементов поляризационной матрицы рассеяния, устройство распознавания может быть выполнено по следующей схеме (рис.4.63)

Детектор амплит.

Детектор амплит.

ЧПВ

НН

ПУ

Uпор.

Приемник

Приемник

Рис. 4.63. Устройство распознавания по амплитудным элементам поляризационной матрицы рассеяния

Алгоритм работы устройства базируется на утверждении, что для простых воздушных объектов отношение амплитуд сигналов с коллинеарной и перекрестной поляризациями является практически постоянной величиной. Для объектов сложной формы это отношение меняется, причем тем больше, чем сложнее объект. Схема череспериодного вычитания (ЧПВ) выявляет степень изменения отношения амплитуд сигналов различных поляризационных каналов. Результат некогерентно накапливается в некогерентном накопителе (НН) и обрабатывается в пороговом устройстве (ПУ). Решение будет зависеть от сложности воздушного объекта.

В заключении следует отметить следующее. Развитие методов и техники радиолокационного распознавания идет в настоящее время по трем основным направлениям: распознавание по узкополосным сигналам, с помощью многочастотных сигналов и по широкополосному сигналу. Для каждого из трех направлений характерно максимальное использование в устройствах распознавания практически всех доступных признаков: амплитудных, частотных, фазовых, поляризационных и временных.

Современный уровень развития теории и техники радиолокации, обработки сигналов и их распознавания обеспечивает в большинстве случаев распознавание воздушных объектов только по классам. В перспективе становится актуальной задача индивидуального распознавания типов объектов даже внутри одного класса, а также расширение классов распознаваемых объектов.