Кузнецов Ю.В. Формирование признаков для распознавания целей в сверхширокополосной радиолокации (Формирование признаков для распознавания целей в сверхширокополосной радиолокации)

На правах рукописи Кузнецов Юрий Владимирович ФОРМИРОВАНИЕ ПРИЗНАКОВ ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ЦЕЛЕЙ В СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОЙ РАДИОЛОКАЦИИ Специальность 05 12 04 — Радиотехника, в том числе системы и устройства радионавигации, радиолокации и телевидения АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук Москва — 2004 Работа выполнена на кафедре теоретической радиотехники Московского авиационного института (государственного технического университета) Научный консультант доктор технических наук, профессор Воскресенский Дмитрий Иванович Официальные оппоненты член-корреспондента РАН, доктор технических наук, профессор Бахрах Лев Давидович доктор технических наук, доцент Башкиров Леонид Григорьевич доктор технических наук, профессор Гринев Александр Юрьевич Ведущая организация ОАО кЦентральное конструкторское бюро кАлмазл з, „„, « ~к дщкр, ~~~4 заседании диссертационного совета Д 212 125 03 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете) по адресу 125993, г Москва, А-80, ГСП-З, Волоколамское шоссе, 4 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ Автореферат разослан к л 2004 года Ученый секретарь диссертационного совета Д 212 125 03, к т н, доцент М И Сычев ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

Развитие авиационной и космической техники приводит к совершенствованию летательных аппаратов, улучшению их технических характеристик и появлению новых типов, в том числе беспилотных летательных аппаратов Несмотря на то, что наметилась четкая тенденция к стабилизации максимальных скоростей и высот полета, современные военные самолеты и вертолеты обладают значительно более высокими маневренными качествами по сравнению с моделями, выпущенными несколько десятков лет назад Кроме того, военные летательные аппараты стали оснащаться мощными системами создания помех, существенно уменьшилась их эффективная поверхность рассеяния (ЭПР) Так, например, малозаметный тактический ударный самолет Е- 117 кНайтхок» (США), использующий технику кСтэлз», обдает ЭПР от 0,025 до 0,1 кв м при различных ракурсах облучения Радиооборудование этого самолета выполнено таким образом, чтобы исключить любые источники излучения, которые могли бы облегчить обнаружение самолета и повысить уровень демаскирующих его признаков, а навигация и поиск целей осуществляются с применением только пассивных средств Улучшение технических характеристик летательных аппаратов требует адекватной реакции со стороны радиолокационных средств обнаружения и распознавания целей Одним из основных направлений современного развития радиолокационных станций (РЛС) является расширение полосы частот зондирующего сигнала и совершенствование системы обработки сигналов, рассеянных радиолокационной це- лью Разрабатываемые сверхширокополосные (СШП) радиолокаторы обладают очень высокими потенциальными возможностями обнаружения и распознавания целей в сочетании с высокой скрытностью Осо- бенностью СШП сигналов является их малая длительность по сравнению со временем, требуемым для распространения сигнала вдоль радиолокационной цели Например, импульс длительность 1 нс позволяет разрешить по дальности две точки, находящиеся вдоль направления облучения на расстоянии порядка 12 см Другим важным свойством СШП сигналов является отсутствие высокочастотного заполнения импульсов, т е отсутствие несущей частоты Такие сигналы обладают равномерным спектром в широкой полосе частот вплоть до сотен мега- герц СШП радиолокационные эхо-сигналы, рассеиваемые целью, обладают целым рядом новых свойств Во-первых, длительность эхосигналов во много раз превышает длительность зондирующего сигнала, а форма эхо-сигнала очень сильно зависит от ракурса цели относительно РЛС Во-вторых, спектр зондирующего СШП сигнала содержит энергию, способную возбудить собственные резонансные частоты цели, определяемые ее геометрическими размерами, формой и материалом, из которого выполнена цель Таким образом, в эхо-сигнале содержится информация, позволяющая распознавать различные объекты В- третьих, значения собственных частот, характеризующих рассеивающий объект, практически не зависят от ракурса цели, а поэтому они могут быть использованы в качестве информационных признаков для распознавания радиолокационных целей Экспериментальные и теоретические исследования свойств рассеивания электромагнитного поля в широком диапазоне частот показали существенное различие спектральных и временных характеристик сигналов, рассеиваемых телами различной геометрической формы Это подтверждает факт наличия информации в эхо-сигнале СШП радиолокатора о геометрических размерах и форме распознаваемых объектов Для извлечения этой информации необходимо провести оценку им- пульсной или частотной характеристик рассеяния объекта в широкой полосе частот, включающей резонансную область частот объекта Согласно методу сингулярных разложений импульсная характеристика радиолокационного объекта в СШП радиолокации представляет собой суперпозицию затухающих гармонических колебаний, причем резонансные частоты и постоянные времени затухающих экспонент соответствуют собственным частотам объекта и практически не зависят от его ракурса, а начальные фазы и амплитуды гармонических колебаний определяются ракурсом объекта относительно РЛС Традиционные методы подавления шумов и помех в эхо-сигналах радиолокационных объектов основываются на использовании статистки второго порядка, т е автокорреляционной функции и спектральной плотности мощности Однако при такой обработке в СШП эхо-сигналах теряется информация, содержащаяся в отклике, например, фазовая информация Одним из способов повышения точности оценки параметров СШП радиолокационных сигналов является использование кумулянтной обработки или вычисление статистик высокого порядка (СВП) Методы на основе СВП эффективно применяются в таких отраслях, как геофьпика, обработка речи и изображений, телекоммуникациях Кроме того, известно, что кумулянты выше второго порядка для гауссовских процессов равны нулю, что может быть использовано для подавления гауссовских шумов в тракте обработки и оценки параметров импульсной характеристики радиолокационной цели Распознавание целей по информации, содержащейся в СШП эхосигнале, рассеянном объектом, является основным преимуществом разрабатываемых СШП радиолокаторов по сравнению с традиционными РЛС Выделение этой информации требует разработки специальных алгоритмов распознавания, использующих оценки параметров полюсов, полученных при обработке эхо-сигналов Одним из возможных алгоритмов может быть сигнатурное распознавание целей При этом необходимо обеспечить эффективное формирование сигнатур объектов, разработать критерий отнесения приятого сигнала к одному из классов целей В качестве показателя качества распознавания целей можно использовать вероятность правильного распознавания, которая, в частности, позволяет связать точность оценки параметров различных полюсов объектов с качеством распознавания Это позволяет обоснованно выбрать алфавит признаков или сигнатур, используемых при построении алгоритма распознавания целей Совершенно очевидно, что СШП радиолокационные системы обладают целым рядом новых свойств, позволяющих существенно повысить технические характеристики традиционных РЛС, особенно при решении задачи распознавания радиолокационных целей, а также для селекции целей на фоне мешающих отражений от местных предметов Однако широкое внедрение в практику СШП РЛС требует не только новых подходов и технологий при создании антенных систем, мощных коротко-импульсных генераторов, но и приемных систем с цифровой обработкой эхо-сигналов, а также эффективных алгоритмов обнаружения и распознавания целей Колоссальные материальные вложения в разработку новых СШП технологий требуют очень серьезного обоснования тех преимуществ, которые дают СШП радиолокаторы Разработан алгоритм идентификации объектов СШП радиолокации с использованием кумулянтов высокого порядка, основанный на основе алгоритмов распознавания радиолокационных объектов, а также оценка влияния частотно-временной обработки СШП сигналов на характеристики сверхширокополосных радиолокаторов является весьма актуальной и важной задачей Цели и задачи диссертации.

Целью работы является развитие теории частотно-временной обработки, опирающейся на характерные особенности, присущие объек- там при облучении их СШП сигналами, с целью выявления устойчивых признаков, свойственных СШП сигналам, отраженным от объектов, для решения задачи обнаружения-распознавания целей в сверхширокополосной радиолокации, в том числе при наличии мешающих отражений от местных предметов и подстилающей поверхности Основные задачи диссертации: — анализ СШП сигналов, отраженных от объектов с целью вьивления устойчивых и инвариантных по отношению к ракурсу и дальности до объекта признаков распознавания целей в СШП радиолокации, — разработка полюсной модели сигналов, рассеиваемых радиолокационными объектами в сверх широкой полосе частот, — исследование и разработка методики выделения импульсной характеристики объекта из принятого радиолокационного эхо-сигнала, — разработка и исследование методов оценки параметров признаков для распознавания целей с использованием статистик высокого порядка, — построение процедур распознавания объектов на основе сигнатур целей и модифицированного метода Е-импульса, — оценка влияния помехоустойчивости алгоритмов распознавания целей на характеристики СШП радиолокаторов, — экспериментальное исследование полученных алгоритмов при моделировании реальных радиолокационных задач Основные положения, выносимые на защиту.

1 Методы и аналитические соотношения выявления параметров полюсов импульсной характеристики радиолокационных объектов, используемых в качестве устойчивых и инвариантных по отношению к ракурсу и дальности признаков для распознавания целей 2 Оценка ранга плохо обусловленных матриц данных при выделении импульсной характеристики объектов из принятого эхо-сигнала радиолокатора проводится с использованием сингулярного разложения по критерию соответствия спектрального состава сигналов 3 Использование метода матричных пучков в сочетании с кумулянтной обработкой четвертого порядка позволяет сохранить фазовую информацию в сигналах и повысить помехоустойчивость алгоритма и точность оценки параметров сигналов по сравнению с традиционными методиками 4 Формирование сигнатур радиолокационных целей на основе полюсов импульсной характеристики объектов позволяет построить процедуры эффективного и надежного распознавания целей при учете тепловых шумов и отражений от местных предметов 5 Модифицированный метод Е-импульса с использованием посекционных полиномиальных базовых функций позволяет проводить устойчивое распознавание радиолокационных целей в сложной помеховой обстановке практически независимо от ракурса объекта Методы исслеоований.

Для решения поставленных задач используются методы теории вероятностей, в частности, теории проверки статистических гипотез, метод статистических испытаний, матричный анализ, в том числе сингулярное разложение, а также теория цифрового спектрального анализа и его приложений, методы статистической радиотехники и теории анализа линейных цепей и сигналов Достоверность полученных результатов обуславливается корректностью исходных положений и преобразований, использованием апробированного адекватного математического и статистического аппаратов, компьютерных программ и логической обоснованностью выводов Полученные результаты подтверждены физическими и вычислительными экспериментами и не противоречат сложившимся представлениям в современной радиотехнике Научная новизна результатов исследований состоит в следующем — разработан метод выделения импульсной характеристики объекта из принятого эхо-сигнала на основе сингулярного разложения плохо обусловленных матриц цифровых СШП сигналов, — предложен критерий редуцирования ранга плохо обусловленной матрицы данных, учитывающий спектральный состав сигналов в системе цифровой обработки, — развиты методы оценки параметров импульсных характеристик радиолокационных объектов, основанные на теории матричных пучков в сочетании с кумулянтной обработкой четвертого порядка, позволившие повысить точность и помехозащищенность алгоритмов цифровой обработки, — развитие теории частотно-временной обработки, позволяющей проводить распознавание радиолокационных целей на основе анализа сигнатур объектов и использования метода Е-импульса в сложной помеховой обстановке Практическая значимость результатов работы состоит в том, что разработанные в диссертации методы и алгоритмы могут быть использованы в различных практических задачах, связанных с оцениванием параметров линейных систем и распознаванием сигналов Редуцирование ранга матриц данных на основе предложенного спектрального критерия может быть использовано при моделировании сложных микроволновых структур во временной области, а также при обработке сверхширокополосных сигналов, излучаемых при функционировании различных электронных устройств, при решении задач, связанных с электромагнитной совместимостью Алгоритмы оценки параметров полюсов передаточных функций на основании метода матричных пучков в сочетании с кумулянтной обработкой высокого порядка могут быть использованы при решении задач идентификации линейных сис- 10 тем, причем они могут быть применены при обработке негауссовских процессов, поскольку не связаны с ограничениями на стационарность моделей В виду этого методы могут непосредственно применяться для исследования объектов с меняющимися в процессе наблюдения параметрами Разработанная методика оценки характеристик СШП радиолокаторов может быть использована при практической реализации алгоритмов обработки сигналов, она позволяет оценить их влияние на максимальную дальность функционирования СШП РЛС Это дает возможность приступить к формированию технического облика системы распознавания целей в СШП радиолокации, а также сформулировать тактико-технические требования к ее составным частям Реализация и внедрение результатов работы.