Алгоритм функционирования канала многообзорного наблюдения перспективной РЛС

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Традиционные методы обработки [1], реализованные в современных радиолокационных станциях (РЛС), часто не обеспечивают надежное своевременное обнаружение малоразмерных целей с малыми значениями эффективной площади рассеяния (ЭПР). Реализованная в ряде РЛС система селекции движущихся целей (СДЦ), «вырезает» или присваивает признак «ангел» всем воздушным объектам, чья скорость движения оказывается менее заданной.

Анализ показывает, что расчетные дальности обнаружения малоразмерных целей, например, беспилотных летательных аппаратов (БЛА) современными РЛС оказываются явно недостаточными для решения практических задач. В условиях применения помех эти относительно невысокие возможности обычно не реализуются. Таким образом, имеющиеся РЛС контроля воздушного пространства недостаточно эффективны при обнаружение малоразмерных, малоскоростных воздушных целей, например, типа БЛА в простой помеховой обстановке.

Возможности современных РЛС по дальнейшему наращиванию их энергетического потенциала практически исчерпаны. Попытки дополнительного увеличения мощности генераторных приборов или чувствительности приемных устройств обычно связаны с существенным усложнением и удорожанием их конструкции. Использование антенн с высокими направленными свойствами для обзора пространства приводит к уменьшению длительности радиолокационного контакта с целью, при этом общее время накопления ограничено единым временным балансом радиолокатора.

В такой ситуации наблюдается возрастающий интерес к известным методам длительного многообзорного наблюдения (накопления) [2]. Подобные методы решают единую задачу «обнаружения-измерения». При этом грань между первичной и вторичной обработкой радиолокационной информации практически исчезает [1], а достижение требуемой минимальной условной вероятности ложной тревоги обеспечивают результаты вторичной обработки. Подобная задача применительно к «просветной» двухпозиционной РЛС была сформулирована в [3]. В работе показано, что задача обнаружения сигналов целей может быть сведена к анализу спектрограмм и обнаружению траекторий в пространстве частота-время. В современной технической и научной литературе достаточно подробно рассмотрено множество методов многообзорного накопления. С начала 1990-х годов часть подобных методов в иностранной научной литературе [4] получила название track-before-detect (TBD). По сути, в основе методов TBD лежит применение некогерентного накопления сигналов на основе априорной модели движения цели [5]. Без учета модели движения цели накопление на длительном временном интервале практически невозможно.

Известны также недостатки методов TBD, препятствующие их широкому применению. При использовании методов TBD время некогерентного накопления оказывается достаточно продолжительным. Оно соответствует нескольким периодам обзора и может составлять для обзорных РЛС десятки секунд. Факт обнаружения в этом случае регистрируется с некоторым запаздыванием. Например, при анализе результатов десяти обзоров пространства с темпом обнаружение может происходить только через 50 с после получения первой отметки от цели. А при анализе результатов двадцати обзоров время запаздывания может достигать практически двух минут. Возможность столь длительного накопления сигналов при обнаружении высокоскоростных целей представляется проблематичной. Поэтому подобный метод обнаружения и завязки трасс вряд ли может быть выбран в качестве основного в современных многофункциональных РЛС.

В работе предлагается структура РЛС, в которой наряду с основным каналом работы, используется дополнительный канал многообзорного наблюдения (МОН). Рассматриваются вопросы практической реализации канала МОН и подходы к оценке его эффективности.

Единый процесс получения радиолокационной информации обычно разделяют на этапы первичной и вторичной обработки [1]. Первичная обработка радиолокационной информации - это процесс получения сведений о локационных объектах на основе анализа радиолокационного сигнала, представляющего результат одного периода обзора пространства. При первичной обработке решается одна из наиболее важных задач - обнаружение, которое заключается в принятии решения о наличии или отсутствии объекта локации в каждом разрешаемом объеме зоны обнаружения РЛС.

Широкое распространение получили адаптивные системы обработки РЛИ, способные изменять свои параметры в процессе работы [6]. Так, обнаружение цели в обзорном радиолокаторе выполняется в каждом элементе разрешения путем сравнения результата обработки входной реализации с некоторым пороговым уровнем. Значение порогового уровня определяется заданной вероятностью ложной тревоги, а также интенсивностью собственных шумов и внешних помех и может адаптироваться к текущей помеховой обстановке. Например, адаптивный пороговый уровень может формироваться на основе результатов, получаемых в соседних элементах разрешения [6]. Автоматическое пороговое обнаружение эхо-сигналов производится при взаимно связанных, в частности фиксированных, усилении приемных каналов (уровне шумов на выходе) и величине порога (напряжения срабатывания оконечных пороговых устройств). Уровень порога устанавливается из условия допустимого, с точки зрения перегрузки системы вторичной обработки информации, то есть количества ложных тревог для каждого разрешаемого объема.

Как правило, завязка трасс происходит с использованием известных алгоритмов по результатам нескольких обзоров. Эффективность алгоритма и время завязки трассы во многом зависит от применяемого критерия. Более медленные алгоритмы («длинные» логики) позволяют избежать завязки ложных траекторий в условиях интенсивных помех [7].

Основными недостатками существующих алгоритмов обработки реализованных в современных РЛС можно считать:

1. Необнаружение сигналов от малоразмерных целей ввиду их низкого уровня, соизмеримого с уровнем шумов (сигналы не превышают порог обнаружения, а координаты отметок не поступают в устройство вторичной обработки).

2. Исключение из обработки эхо-сигналов малоподвижных (малоскоростных) целей (вырезаются системой СДЦ или отметкам присваивается признак «ангел»).

3. Жесткий критерий формирования трассовой информации о цели (трасса формируется лишь после нескольких последовательных успешных обнаружений).

Для исключения этих недостатков предлагается дополнительно к основному тракту радиолокационной станции ввести канал МОН (рисунок 1).

Рис. 1. Алгоритм обработки радиолокационной информации в РЛС с дополнительным каналом многобзорного наблюдения

В основном канале реализован достаточно распространенный алгоритм работы современных РЛС. Отраженный от цели сигнал поступает в блок фильтрации, преобразования и усиления. Далее в цифровом виде реализуются первичная и вторичная обработка сигналов. В устройстве первичной обработки оцифрованный сигнал подвергается детектированию и поступает в пороговое устройство, уровень порога в котором выставляется в зависимости от требуемой вероятности ложной тревоги. Он может изменяться от такта к такту за счет изменения уровня помех. В случае, если сигнал превысил порог обнаружения, координаты отметки поступают в устройство вторичной обработки для формирования траекторной информации.

В канале МОН результаты сравнения с первичным порогом (порог обнаружения 1 на рисунке 1), полученные в нескольких обзорах, подвергаются преобразованию Хафа и заполняют ячейки специального аккумулятора или накопителя [4,5]. Содержимое аккумулятора Хафа непрерывно пополняется. Обнаружение трасс целей реализуется по результатам сравнения многообзорного содержимого аккумулятора с порогом в устройстве обнаружения трасс по критерию «n из M» (порог обнаружения 2 на рисунке 1). При этом определяются координаты отметок, соответствующие ячейке аккумулятора , для которой реализовалась превышение порога. Отметки от цели, соответствующие данной ячейке, объединяются в трассу цели одним из известных методов. Устройство объединения совмещает полученную траекторную информацию основного и дополнительного каналов и выдает её на систему отображения.

Рассмотрим особенности реализации метода многообзорного наблюдения. В дополнительном канале используется первичный порог обнаружения, который оказывается ниже уровня порога основного канала, что вызывает значительное увеличение числа превышений порога. На рисунке 2 представлена зависимость вероятности ложной тревоги от величины относительного порога (уровень порога нормирован относительно шума). При уменьшении уровня порога вероятность ложных тревог быстро возрастает, но вместе с тем становится возможным обнаружение сигналов от целей с малой ЭПР.

При значительном количестве превышений порога от обзора к обзору будет также быстро нарастать число завязываемых трасс (истинных и ложных траекторий целей). Алгоритм Хафа позволяет на основе априорной модели движения цели эффективно выделить отметки от целей принадлежащие прямым (потенциальным траекториям целей). По мере увеличения числа анализируемых обзоров количество потенциальных трасс-кандидатов быстро убывает. Так, по результатам моделирования работы алгоритма получены следующие результаты. При вероятности ложной тревоги на этапе первичной обработки число потенциальных трасс-кандидатов для трех обзоров составило, для четырех - , для пяти - При анализе 10 обзоров число потенциальных трасс-кандидатов (истинных и ложных) снизилось до двух.

Рис. 2. Вероятность ложной тревоги как функция порогового уровня (порог нормирован относительно СКО релеевского шума)

радиолокационный сигнал ложный

Возможны различные подходы к оценке эффективности методов многобзорного наблюдения [2,4,5]. Для оценки эффективности многообзорного накопления в [2] определяется количество проверяемых гипотез (потенциальных трасс). В [4] показано, что за счет существенного увеличения времени наблюдения методы дают значительный прирост результирующей вероятности обнаружения

 (1)

где - определяемая рекуррентно вероятность ровно k обнаружений в m тактах (обзорах), - вероятность обнаружения для одного объема разрешения.

Например, при использовании на втором этапе для обнаружения трасс по методу Хафа критерия «7 из 20» точек, можно получить выигрыш в отношении сигнал-шум более 6дБ [4]. Прирост результирующей вероятности обнаружения позволяет расширить зону действия РЛС при обнаружении слабоотражающих целей. Вероятность обнаружения может изменяться от такта к такту за счет изменения отношения сигнал-шум по мере приближения цели к РЛС.

Оценка эффективности в [7] проводится путем оценки вероятности завязки трассы в течение определенного количества сканирований (обзоров) РЛС.

Необходимо отметить, что результат процесса обнаружения по методам TBD с использованием многообзорного накопления несколько отличается от результата традиционной процедуры обнаружения, то есть принятия решения о наличии цели по результатам сравнения сигнала с пороговым уровнем. Методы многообзорного наблюдения дают дополнительный выигрыш, заключающийся в получении траекторной информации, то есть оценки траектории цели. Таким образом, результат процедуры многообзорного наблюдения - это не только факт обнаружения цели, но и оценка некоторой части траектории её движения. Этот косвенный выигрыш необходимо дополнительно учитывать при оценке общей эффективности методов многообзорного наблюдения.

Предложена структура и рассмотрен алгоритм функционирования РЛС, включающей канал многообзорного наблюдения на основе преобразования Хафа. В канале многообзорного наблюдения в результате применения цифровых методов обработки обеспечивается прирост отношения сигнал-шум и результирующей вероятности обнаружения, что позволяет расширить зону обнаружения слабоотражающих целей. Кроме того время анализа радиолокационной информации в дополнительном канале многообзорного накопления не ограничено «жесткой» временной диаграммой работы РЛС.

По своей эффективности предложенный метод обнаружения и завязки трасс соответствует известным методам цифрового накопления. При оценке эффективности методов длительного многообзорного накопления необходимо учитывать не только прирост дальности обнаружения за счет накопления энергии сигналов, но также и косвенный выигрыш, обусловленный получением трассовой информации, необходимой для принятия решений в системе, одновременно с фактом обнаружения.

Литература

1. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981. - 416 с.

2. Кричигин, А.В., Маврычев, Е.А. Алгоритмы многообзорного обнаружения траектории движущейся цели. Труды НГТУ им. Алексеева Р.Е. №4(83), 2010, С. 11-18.

3. Силантьев, А.Б., Красников, А.В., Узденов, Д.Д., Теряшов А.И. Постановка и методика решения задачи обнаружения-измерения в двухпозиционной радиолокационной станции при локации «на просвет».//Вестник Ярославского государственного университета им. П.Г. Демидова. Серия Естественные и технические науки. 2014. Вып.3., С.30-34.

4. Carlson, B.D., Evans, E.D., and Wilson, S.L. Search radar detection and track with the Hough transform. System concept. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 30, 1 (Jan. 1994), Part I: 102-108, Part II: 109-115, Part III: 116-124.

5. Монаков А.А. Обнаружитель движущейся цели для радиолокационного приемника на основе алгоритма Хафа. Сборник докладов конференции «RLNC 2014», С.1584-1594.

6. Трухачев, А.А. Адаптивные пороговые уровни в устройствах обнаружения радиолокационных сигналов. М.: НПО «Алмаз», 2017. -344с.

7. Фарина А., Студер Ф. Цифровая обработка радиолокационной информации. Сопровождение целей. Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1993. - 320 с.

Размещено на Allbest.ru