Методы повышения эффективности обнаружения и измерения параметров эхо-сигналов сверхманевренных объектов

Актуальность темы

.

Развитие теории и практики авиационной науки, основанное на использовании достижений нестационарной аэродинамики, динамики полёта в неустановившемся движении и применении более совершенных алгоритмов и систем автоматического управления, обладающих существенно более высокой адаптацией к условиям полёта, привели к созданию нового типа летательных аппаратов (ДА), так называемых сверхманевренных летательных аппаратов, далее по тексту — маневрирующий объект, а также беспилотных летательных аппаратов. Сверхманевренными считаются те самолёты [1, 2, 3], в которых за счёт развитой механизации крыла, специальных органов непосредственного управления подъёмной и боковой силами и применения высокоэнергетических двигателей с управляемым вектором тяги возможно выполнение маневров, таких как «кобра Пугачёва», «колокол», «мангуст» и другие, с существенно более сложными пространственными эволюциями, приводящими к дополнительной частотной модуляции отражённых сигналов. Также важно отметить, что дополнительная частотная модуляция отражённого сигнала проявляется и при равномерном прямолинейном движении объекта за счёт изменения ракурса [1]. В той или иной степени, элементами сверхманевренности обладают все истребители и многофункциональные самолёты четвёртого поколения [4, 5, 6]: F-15, F-16, F-18, МиГ-29, Су-27, Су-35, Су-37, а также многофункциональные самолёты пятого поколения: F-22. Несмотря на чрезвычайную важность этого свойства JIA в настоящее время, в литературе [4, 5, 6] отсутствует его чёткое определение.

В техническом плане изменение доплеровской частоты, или что эквивалентно, наличие радиального ускорения объекта, в процессе обнаружения приводит к нарушению когерентности принимаемого сигнала [7], выраженному в размывании спектра, и, как следствие, снижению эффекта когерентного накопления, уменьшению дальности обнаружения, потерям в пороговом отношении сигнал-шум.

При небольшой дальности до маневрирующего объекта или большой эффективной площади рассеяния, когда отражённый сигнал имеет большую мощность, «размывание» спектра, за счёт дополнительной частотной модуляции, по нескольким фильтрам может привести к принятию ложного решения о наличии нескольких объектов. В свою очередь, при обнаружении группы объектов факт «размывания» спектра приводит к ухудшению разрешающей способности по скорости [8].

Данная проблема особенно актуальна для бортовых импульсно-доплеровских PJIC (ИД PJIC), так как время когерентного накопления сигнала составляет порядка сотен миллисекунд [9], ракурс объекта изменяется в более существенных пределах, за счёт собственного движения носителя [10], чем для наземных PJIC.

Для решения задачи обнаружения [9, 11, 12], в том числе, маневрирующих объектов, широкое распространение получили многоканальные алгоритмы обнаружения, представленные в работах Лукошкина А. П. [13], Кузменкова Ю. В., Логинова В. М. [14], Самарина О. Ф., Артемьева А. И., корпорации Lockheed [15], Страховой [16] и др. Наряду с достоинствами: меньшее число вычислительных операций, затрачиваемых на реализацию, им присущи неявные недостатки, связанные с увеличением потерь в пороговом отношении сигнал-шум, которые пропорциональны диапазону измерения ускорения движения объекта. Последнее приводит к неэффективности их применения в ряде режимов работы ИД РЛС (например, режим средней частоты повторения импульсов (СЧПИ)), так как диапазон анализируемого радиального ускорения составляет существенную величину.

Одним из способов однозначного измерения дальности в ИД РЛС, работающей в режиме высокой частоты повторения импульсов (режим ВЧПИ), является использование сигналов с ЛЧМ — модуляцией [9], описанное в работах Бакулева П. А., Ширмана Я. Д., Винницкого А. С. При измерении дальности до маневрирующего объекта, за счёт появления дополнительной частотной модуляции, вызванной радиальным ускорением объекта, точность измерения дальности существенно ухудшается. Соответственно ухудшается точность оценки параметров движения объекта, выдаваемых в алгоритмы захвата и сопровождения.

Цель работы заключается в разработке новых квазиоптимальных адаптивных и неадаптивных алгоритмов обнаружения маневрирующих объектов и направлена на повышение эффективности обнаружения маневрирующих объектов и повышении точности измерения дальности до них для импульсно-доплеровской PJIC.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

• произвести детальный анализ влияния радиального ускорения объекта на вероятностные и энергетические характеристики многоканального допле-ровского фильтра (МДФ), дальность обнаружения и использовать полученную информацию при синтезе алгоритмов обнаружения маневрирующих объектов;

• произвести анализ влияния числа каналов по ускорению на среднею вероятность правильного обнаружения (СВПО) многоканального по скорости и ускорению алгоритма обнаружения сигналов с целью определения числа каналов по ускорению, при котором обеспечивается минимум средней величины порогового отношения сигнал-шум;

• произвести статистический синтез и анализ квазиоптимального неадаптивного алгоритма обнаружения маневрирующих объектов с секционированием последовательности входных отсчётов, требующего для реализации меньшего числа вычислительных операций;

• произвести статистический синтез и анализ квазиоптимальных инвариантного к скорости и многоканального по ускорению и адаптивного к ускорению алгоритмов обнаружения маневрирующих объектов с предварительной мультипликативной обработкой последовательности входных отсчётов, обеспечивающих выигрыш в пороговом отношении сигнал-шум;

• разработать способ повышения точности оценки дальности до маневрирующего объекта частотным способом с использованием многоканального по скорости и ускорению алгоритма обнаружения на основе применения алгоритмов повышения точности оценки частоты с использованием интерполяционных полиномов;

• произвести сравнительный анализ вычислительной эффективности синтезированных алгоритмов обнаружения с известными;

• рассмотреть пути технической реализации синтезированных алгоритмов обнаружения маневрирующих объектов.

Методы анализа, используемые в диссертационной работе, основаны на статистической теории радиотехнических систем, ЛЧМ-фильтрации, математическом моделировании. Основные числовые результаты получены в рамках методов статистического синтеза, в частности, метода максимального правдоподобия, метода собственных значений, метода экстремальных статистик, неравенства Рао-Крамера, методов статистического моделирования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) способ квазиоптимальной инвариантной к скорости и многоканальной по ускорению обработки сигнала с предварительной мультипликативной обработкой входных отсчётов, обеспечивающий выигрыш в пороговом отношении сигнал-шум в среднем до 4 дБ, по сравнению с многоканальным по скорости и ускорению алгоритмом обнаружения, и значительно превосходящий его по вычислительной эффективности;

2) квазиоптимальный неадаптивный алгоритм обнаружения с секционированием входных отсчётов, позволяющий в 2,5 раза повысить вычислительную эффективность по сравнению с многоканальным по скорости и ускорению алгоритмом обнаружения;

3) квазиоптимальный адаптивный алгоритм обнаружения с предварительной мультипликативной обработкой входных отсчётов с оценкой скорости и ускорения, позволяющий существенно повысить вычислительную эффективность;

4) алгоритм повышения точности измерения дальности до маневрирующего объекта частотным методом, на основе применения интерполяционных полиномов, позволяющий до 2,5 раз снизить СКО оценки дальности, по сравнению с широко применяемым на практике методе максимума параболической огибающей трёх дискретных отсчётов.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

• произведён анализ влияния радиального ускорения объекта на вероятностные и энергетические характеристики МДФ на дальность обнаружения;

• получены значения нижних границ дисперсий совместных оценок скорости и ускорения с применением неравенства Рао-Крамера;

• разработаны новые квазиоптимальные инвариантный к скорости и многоканальный по ускорению и адаптивный алгоритмы обнаружения с предварительной мультипликативной обработкой входных отсчётов;

• разработан квазиоптимальный неадаптивный алгоритм обнаружения с секционированием и прореживанием входных отсчётов, позволяющий снизить вычислительные затраты системы обработки;

• усовершенствован алгоритм измерения дальности до маневрирующего объекта при использовании зондирующего ЛЧМ-сигнала.

Научное и практическое значение заключается в:

• проведении всестороннего анализа влияния радиального ускорения объекта на вероятностные и энергетические характеристики МДФ;

• анализе зависимости СВПО от числа каналов по ускорению многоканального по скорости и ускорению алгоритма обнаружения, позволяющей выбрать число каналов по ускорению, при котором обеспечивается минимум средней величины порогового отношения сигнал-шум;

• разработке квазиоптимального инвариантного к скорости и многоканального по ускорению алгоритма обнаружения с предварительной мультипликативной обработкой входных отсчётов, обеспечивающего выигрыш в пороговом отношении сигнал-шум в среднем до 4 дБ по сравнению с многоканальным по скорости и ускорению алгоритмом обнаружения для режима СЧПИ, позволяющего изменять диапазоны измерения ускорения, число каналов по ускорения без увеличения вычислительных затрат;

• разработке квазиоптимального адаптивного алгоритма обнаружения с предварительной мультипликативной обработкой входных отсчётов с оценкой скорости и ускорения, позволяющего существенно сократить число вычислительных операций при реализации;

• разработке алгоритма повышения точности оценки дальности до маневрирующего объекта при использовании зондирующего ЛЧМ-сигнала.

Внедрение научных результатов. Результаты диссертационной работы внедрены в опытно-конструкторские работы и промышленные разработки ОАО «Корпорация «Фазотрон-НИИР» г. Москва, а также в учебный процесс Рязанского государственного радиотехнического университета при преподавании дисциплин «Теоретические основы радиоэлектронной борьбы» и «Средства радиоэлектронной защиты РЭС», в т. ч. в форме программно-методического обеспечения к лабораторной работе.

Апробация работы произведена в форме научных докладов, дискуссий по основным результатам диссертационной работы, которые проходили на следующих научных конференциях: VII-научно-технической конференции НИТ-2003, (г. Рязань) — 12-й Международной научно-технической конференции «Проблемы передачи и обработки информации в сетях и системах телекоммуникаций», (г. Рязань) — Международных научно-технических конференциях DSPA-2003, DSPA-2005, (г. Москва) — 39-й научно-технической конференции РГРТА, (г. Рязань).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных и 2 рукописные научные работы, в том числе 2 статьи в центральной печати, 5 тезисов докладов на конференциях, 2 статьи в межвузовских сборниках, 1 статья в «Вестнике РГРТА», 2 отчета по НИР, кроме того, получено положительное решение из ФИПС о выдаче патента на способ обнаружения маневрирующих объектов.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и приложений. Общий объём диссертации 135 страницы, включая библиографический список из 102 источников.

3.4. Выводы.

В данном разделе диссертационной работы рассмотрены вопросы статистического моделирования и вычислительной эффективности синтезированных алгоритмов обнаружения сигналов, отражённых от маневрирующих объектов.

1. Результаты проведенного статистического моделирования подтверждают результаты теоретического анализа исследуемых систем обработки сигналов, отражённых от маневрирующих объектов, которые проведены во втором разделе. При этом отличия в пороговых сигналах, соответствующих теоретическим характеристикам обнаружения, полученных на основе метода характеристических функций, и экспериментальным характеристикам обнаружения, полученных методом статистического моделирования, для рассматриваемых систем обработки сигналов не превосходят 0,1−0,2 дБ.

2. Рассмотрены вопросы, связанные с вычислительной эффективностью синтезированных алгоритмов обнаружения. Показано, что на реализацию квазиоптимального инвариантного алгоритма обнаружения с предварительной мультипликативной обработкой входной последовательности с оценкой скорости и многоканальностью по ускорению, затрачивается в 5−10 раз меньше вычислительных операций по сравнению известными.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результатом исследований, проведённых в данной диссертационной работе, является:

• исследование влияния радиального ускорения объекта на вероятностные и энергетические характеристики систем межпериодной обработки радиолокационных сигналовсинтез и анализ квазиоптимальных адаптивных и неадаптивных систем обработки, позволяющих повысить эффективность ИД РЛС;

• на основе анализа изменения пространственных координат сверхманевренного объекта и носителя в процессе обнаружения определен реальный диапазон изменения радиального ускорения, с учётом физических возможностей современных JIA Показано, что при зондировании пространства пачкой простых импульсных сигналов данный диапазон существенно меньше, чем значение первого «слепого» ускорения;

• проведён анализ влияния радиального ускорения объекта на энергетические характеристики МДФ, вероятностные характеристики, дальность обнаружения, показано, что наличие радиального ускорения приводит к потерям в КУ до 10 дБ, снижению дальности обнаружения в 2.3 раза;

• проанализирована зависимость СВПО от числа каналов по ускорению. Показано наличие числа каналов по ускорению для многоканального по скорости и ускорению алгоритма обнаружения сигналов, отражённых от маневрирующего объекта, при котором достигается минимум величины порогового отношения сигнал-шум, в частности при N= 512, F=10″ 7, AfcT =0,01, Maopt= 128;

• проведён статистический синтез квазиоптимального инвариантного к скорости и многоканального по ускорению алгоритма обнаружения с предварительной мультипликативной обработкой, обеспечивающего выигрыш в пороговом отношении сигнал-шум в среднем до 4 дБ по сравнению с многоканальным по скорости и ускорению в случае уменьшения числа каналов по скорости в средним до 3 раза;

• проведён статистический синтез квазиоптимального адаптивного алгоритма обнаружения с предварительной мультипликативной обработкой с оценкой скорости и ускорения, обеспечивающего существенный выигрыш в числе вычислительных операций по сравнению с многоканальным по скорости и ускорению (до 50 раз);

• проведён статистический синтез квазиоптимального неадаптивного алгоритма обнаружения с секционированием входных отсчётов, обеспечивающего выигрыш в числе вычислительных операций в среднем в 2 раза по сравнению с многоканальным по скорости и ускорению;

• исследована возможность применения интерполяционного алгоритма повышения точности оценки дальности до маневрирующего объекта частотным способом и показано, что он позволяет снизить СКО оценки дальности в среднем в 2,5 раза по сравнению с применяемым на практике методом;

• разработан программный комплекс для анализа влияния радиального ускорения объекта на вероятностные и энергетические характеристики многоканальных алгоритмов обнаружения.

Таким образом в соответствие с целью работы произведён подробный анализ влияния радиального ускорения объекта на параметры МДФ, произведён синтез квазиоптимального неадаптивного алгоритма обнаружения, позволяющего снизить вычислительные затраты на реализацию, произведён синтез инвариантного к скорости и многоканального по ускорению и адартивного алгоритмов обнаружения, предназначенных для режимов работы средней частоты повторения импульсов, увеличена точности оценки дальности частотным способом до маневрирующих объектов.