Радиолокационное распознающее устройство

 

Изобретение относится к радиолокационным измерениям и может быть использовано в импульсных РЛС сопровождения цели с коническим сканированием для распознавания воздушных объектов. Цель изобретения - повышение достоверности распознавания воздушных объектов за счет учета дополнительных факторов при выборе эталонов распознавания вибрационного диапазона. Для этого в состав известного устройства вводят дополнительно синхронизатор, систему измерения дальности, систему управления антенной, аналого-цифровой преобразователь, запоминающее устройство, счетно-решающий прибор, систему измерения скорости, вычислитель быстрого преобразования Фурье, а также блок радиолокационного распознавания, состоящий из микропроцессора, блока выбора эталонов, блока вывода результатов распознавания, изменяя соответствующим образом межблочные связи. Это позволяет учитывать при выборе эталонов распознавания пространственный ракурс сопровождения и скорость полета цели, что обеспечивает повышение качества распознавания объектов. 1 ил.

Изобретение относится к радиолокационным устройствам.

Известны радиолокационный способ исследования вибрирующих объектов и устройство его осуществления [1] основывающиеся на выделении периодических составляющих в отраженном сигнале при облучении близко расположенных вибрирующих объектов. Представленное в [1] устройство содержит приемопередающую антенну, вход-выход которой через циркулятор подключен к входу демодулятора, а выход модулятора соединен с другим входом циркулятора, подключенный к выходу модулятора усилитель, выход которого связан одновременно с первым входом второго управляемого ключа, входом амплитудного детектора и первым входом первого управляемого ключа, выход которого соединен с входом анализатора спектра, а второй вход одновременно с выходом компаратора и входом блока задержки, выход которого подключен к второму входу второго управляемого ключа, 3-й вход которого заземлен, а выход связан с вторым входом модулятора, первый (сигнальный) вход которого соединен одновременно с выходом генератора и гетеродинным входом демодулятора. При этом выход амплитудного детектора подключен к первому входу компаратора, второй вход которого связан с выходом порогового блока.

Данное устройство позволяет определять с высокой точностью вибрационные характеристики объектов пеленга по рассеянным или радиолокационным сигналам. Поскольку различные объекты имеют в виду своей специфики различные вибрационные характеристики, то предложенное устройство в некотором приближении можно считать устройством, обеспечивающим распознавание вибрирующих объектов различных классов или типов. Однако данное устройство не может быть применено для распознавания таких объектов, как аэродинамические летательные аппараты (ЛА), так как оно устойчиво и правильно функционирует только при локации близкорасположенных объектов, чтобы пренебрежение временем задержки рассеянного сигнала, используемое неоднократно, было оправданным.

В [2] приводится описание другого устройства радиолокационного распознавания целей по амплитудно-модулированным эхосигналам. Действие устройства основано на том, что отражающие поверхности летательных аппаратов при своем нормальном функционировании совершают колебательные движения, обусловленные работой двигателей. Эти колебания воздействуют на зондирующие импульсы РЛС, и фаза рассеянных сигналов изменяется в соответствии с частотой колебаний распознаваемого объекта. Устройство включает антенну, антенный переключатель, приемник, передатчик, индикатор кругового обзора (ИКО) и канал распознавания, состоящий из линии задержки (ЛЗ), 2-го ключа, смесителя, фильтра нижних частот (ФНЧ) и устройства воспроизведения образа цели, причем передатчик состоит из модулятора, генератора сверхвысокой частоты (СВЧ) и 1-го ключа. В описанном устройстве антенна через антенный переключатель соединяется с входом приемника и выходом первого ключа, второй вход которого связан одновременно с выходом генератора СВЧ и вторым входом смесителя, выход которого подключен к входу ФНЧ, а первый вход к выходу второго ключа, первый вход которого соединен одновременно с выходом приемника и вторым входом ИКО, первый вход которого связан одновременно с выходом модулятора, первым (управляющим) входом первого ключа и входом ЛЗ, выход которой подключен к второму (управляющему) входу второго ключа, а устройство воспроизведения образа цели соединено с выходом ФНЧ.

Недостатком данного устройства является то, что оно не может обеспечить высокую вероятность распознавания воздушных объектов, так как оно проводится с помощью головных телефонов по окраске звука, зависящей от амплитуды и частоты вибраций. Отсутствие точных звуковых эталонов и различные слуховые и идентификационные возможности операторов РЛС, производящих распознавание, служат причинами возможных ошибок. Если в качестве признака распознавания применить не тембр звука, а распределение спектральных откликов по частотам вибрационного диапазона, то и в этом случае вероятность распознавания будет невысока, так как в данном устройстве не учитывается ракурс полета объектов и скорость их перемещения относительно локатора, от которых зависит структура частотного портрета вибрационного диапазона. К тому же в данном устройстве производится не слежение за объектом, а только стробирование по дальности, что может привести к попаданию в рабочую дистанцию сигналов, рассеянных несколькими объектами, что вызовет увеличение ошибок распознавания.

Целью изобретения является повышение достоверности распознавания воздушных объектов за счет дополнительных факторов при выборе эталонов распознавания вибрационного диапазона.

Поставленная цель достигается тем, что в состав радиолокационного распознающего устройства вводят дополнительно синхронизатор, систему измерения дальности (СИД), систему управления антенной (СУА), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), запоминающее устройство, счетно-решающий прибор (СРП), систему измерения скорости (СИС), вычислитель быстрого преобразования Фурье (БПФ), а также блок радиолокационного распознавания, состоящий из микропроцессора, блока выбора эталонов, блока вывода результатов распознавания. При этом выход синхронизатора связывается одновременно с входом модулятора и вторым входом системы измерения дальности, первый вход которой соединен одновременно с входом АЦП, входом СУА и первым выходом приемника, 2-й выход которого подключен к входу СИС, выход которой связан с первым входом блока выбора эталонов. Выход модулятора подключается к входу генератора СВЧ, выход которого связан с вторым входом антенного переключателя. Первый выход СУА механически соединяется с антенной, а второй выход связывается со вторым входом СРП, первый вход которого подключается к выходу СИД. Выход АЦП соединяется со входом запоминающего устройства, выход которого связан с входом вычислителя БПФ, выход которого подключен к первому входу микропроцессора, выход которого соединен с входом блока вывода результатов распознавания, а второй вход с выходом блока выбора эталонов, второй вход которого связан с выходом СРП.

Предложенное построение схемы радиолокационного распознающего устройства позволяет существенно повысить вероятность распознавания воздушных объектов за счет учета большего количества факторов, определяющих правильный выбор спектрального эталона распознавания в диапазоне частот вибрационного эффекта, а также за счет получения вибрационного портрета объекта в цифровом виде и тщательного сравнения его с эталоном.

На чертеже представлена структурная схема радиолокационного распознающего устройства.

Устройство содержит генератор СВЧ, модулятор 2, синхронизатор 3, антенну 4, антенный переключатель 5, приемник 6, СИД 7, СУА 8, АЦП 9, запоминающее устройство 10, СРП 11, СИС 12, вычислитель БПФ 13, а также блок радиолокационного распознавания 17, состоящий из блока вывода результатов распознавания 14, блока выбора эталонов 15 и микропроцессора 16. При этом синхронизатор 3 соединен с входом модулятора 2 и вторым входом СИД 7, первый вход которой связан с первым выходом приемника 6, входом СУА 8, входом АЦП 9, выход которого подключен ко входу запоминающего устройства 10, выход которого связан со входом вычислителя БПФ 13, выход которого соединен с первым входом микропроцессора 16, выход которого соединен со входом блока вывода результатов распознавания 14, а второй вход с выходом блока выбора эталонов 15. Первый вход блока выбора эталонов 15 подключен к выходу СИС 12, связанной своим выходом с вторым выходом приемник 6, а второй вход к выходу СРП 11, первый вход которого связан с выходом СИД, а второй с вторым входом СУА 8, первый выход которой механически связан с антенной 4, вход-выход которой соединен с входом-выходом (первым входом) антенного переключателя 5, выход которого связан со входом приемника 6, а второй вход с выходом генератора СВЧ 1, выход которого подключен к выходу модулятора 2.

Радиолокационное распознающее устройство в соответствии со своей внутренней структурой работает следующим образом.

Генератор СВЧ 1 формирует мощные СВЧ-импульсы в моменты подачи на его вход модулирующих импульсов с выхода модулятора 2, работой которого управляет синхронизатор 3. СВЧ-импульсы через антенный переключатель 5 поступают на антенну 4 и излучаются ею в направлении объекта, выбранного для распознавания. Отраженные воздушным объектом электромагнитные волны улавливаются антенной 4 и через антенный переключатель 5 передаются на вход приемника 6, включающего в свой состав преобразователи частоты, частотные фильтры, усилители, амплитудный и фазовый детекторы. Продетектированные сигналы с амплитудного детектора приемника 6 подаются на выходы СУА 8, АЦП 9 и первый вход СИД 7. Выход амплитудного детектора является первым входом приемника 6. В СИД 7 производится измерение дальности до сопровождаемого воздушного объекта по времени задержки отраженного сигнала относительно импульсов синхронизации, поступающих на второй выход СИД 7 с синхронизатора 3. В СУА 8 производится измерение угловых координат объекта (угол места ε и азимут b. Для этого в РЛС должен быть реализован метод конического сканирования, то есть конического развертывания луча антенны при вращении облучателя, смещенного из фокуса параболического зеркала. Информация об угловом положении объекта заключена в огибающей амплитуд принятых сигналов и однозначно считывается за период сканирования. Поэтому в СУА 8 производится выделение огибающей видеоимпульсов, поступающих на ее вход с первого выхода приемника 6, а по параметрам огибающей определяются сигналы ошибок по e и b, управляющие приводами СУА, которые механически доворачивают антенну 4 в направлении на объект. Со второго выхода СУА 8 сигналы, пропорциональные угловому положению объекта, поступают на второй вход СРП 11, на первый вход которого приходят сигналы дальности до объекта с выхода СИД 7. СРП 11 по изменению угловых координат и дальности до объекта рассчитывает пространственный ракурс локации объекта g, который в виде напряжения поступает в выхода СРП 11 на второй вход блока выбора эталонов 15. На первый вход блока выбора эталонов 15 подается сигнал, пропорциональный радиальной скорости объекта V_R из СИС 12, на вход которой поступают сигналы со второго выхода (фазового детектора) приемника 6. Видеоимпульсы с выхода приемника 6 последовательно поступают на вход АЦП 9, преобразующего их амплитуду в цифровые данные, которые проходят на вход запоминающего устройства 10. Цифровые данные записываются в ячейки памяти запоминающего устройства 10 до тех пор, пока их количество не составит величину 2^N (где N - натуральное число), например 2048. Такое количество одновременно обрабатываемых данных необходимо для работы вычислителя БПФ 13. При этом необходимо обеспечить правильную дискретизацию обрабатываемого отраженного сигнала, чтобы не потерять полезную информацию и выделить детально анализируемую спектральную полосу вибрационного диапазона.

Для обоснования границ данного диапазона отметим, что на современных самолетах и вертолетах различают следующие виды вибраций [3,4,5] а) вибрации, возникающие при работе силовых установок (двигательные вибрации, в том числе и вибрации от воздушных винтов); б) аэродинамические вибрации, связанные с особенностями обтекания воздушным потоком конструкции объекта или его отдельных частей; в) акустические вибрации; г) колебания типа "флаттер".

В общем случае режим вибрации конструкции объектов, представляющий собой сумму вынужденных и собственных колебаний, определяется как интенсивностью и частотным спектром случайных внешних факторов, так и значениями соответствующих передаточных функций. Величины последних зависят от спектра собственных частот конструкции в целом, ее частей и элементов, а также коэффициентов демпфирования. Если коэффициенты демпфирования сравнительно невелики, что выполняется на современных летательных аппаратах [3] то передаточные функции будут иметь большие коэффициенты усиления на всех частотах, совпадающих с собственными, то есть спектр вибрации реальной конструкции будет в основном узкополосным и зависящим от конструктивных особенностей летательного аппарата (ЛА).

Исследования посвященные анализу работы двигательных установок летательных аппаратов [5, 6] показывают, что наибольшими по амплитуде смещения являются вибрации на частотах: для поршневых двигателей W_кв, 2Ω_кв, Ω_в, N·Ω_в, где Ω_кв угловая скорость вращения коленчатого вала; Ω_в угловая скорость вращения винта, N количество лопастей винта; для турбовинтовых двигателей Ω_в, N·Ω_в, Ω_p где Ω_p угловая скорость вращения ротора; для турбореактивных двигателей Ω_p1 где Ω_p1 угловая скорость вращения 1-го ротора (данные вибрации, согласно [8, 9] занимают диапазон от 56 до 300 Гц); для вертолетов Ω_нв, K_нв·Ω_нв, где К_нв количество лопастей винта; Ω_нв - угловая скорость вращения несущего винта (данные вибрации порождают спектральные отклики на частотах от 2 до 14 Гц [3]).

Исследования, посвященные аэродинамике полета ЛА [3, 4, 7] показывают, что преобладающих по амплитуде аэродинамических колебаний всегда очень близки или совпадают с частотами собственных колебаний конструкции. Наибольшими по амплитуде из этих колебаний являются колебания, соответствующие низшим тонам собственных колебаний. При аэродинамических колебаниях конструкция ЛА как бы является своеобразным фильтром, выделяющим только такие колебания, частоты которых находятся в зоне резонанса с его собственной частотой. Поэтому, зная собственные частоты вибрации элементов конструкции, можно предсказать, на каких частотах вибрации будут максимальными по амплитуде. Акустические вибрации также имеют частоты, близкие к собственным частотам элементов конструкции, и занимают спектральный диапазон от 1,5 до 40 Гц [3, 7] Таким образом, для распознавания воздушных объектов по спектру вибрации необходимо анализировать полосу частот от 0 до 300 Гц. Из этого следует, что частота дискретизации согласно теореме Котельникова должна составлять величину F_д≥600 Гц. Из практических соображений следует выбрать величину F_д несколько большей, например 1 кГц. Современные импульсно-допплеровские РЛС имеют частоты построения F_и до сотен кГц. Таким образом, не составляет труда обеспечить нужную дискретизацию отраженных сигналов, преобразовывая в АЦП 9 каждый k-й (k=F_и/F_д) видеоимпульс в цифровое значение.

Оцифрованные значения амплитуд 2048 видеосигналов образуют массив данных, который поступает с выхода запоминающего устройства 10 на вход вычислителя БПФ 13, который производит операцию БПФ и выдает на выход массив данных, представляющих собой распределение интенсивностей входных сигналов по частотам вибрационного диапазона (0-300 Гц). Если этот массив данных рассматривать графически, то он будет представлять собой спектральный портрет объекта в вибрационном диапазоне. Полученный массив с выхода вычислителя БПФ 13 поступает на первый вход микропроцессора 16, где сравнивается с аналогичным эталонным массивом (эталонным вибрационным портретом), поступающим на второй вход микропроцессора 16 с выхода блока выбора эталонов 15. Блок выбора эталонов 15 в соответствии с поступающими на его входы сигналами пространственного ракурса локации γ и радиальной скорости объекта V_R среди всего банка эталонных данных выбирает только ту группу эталонных массивов, которая отвечает измеренному значению угла g и скорости полета объекта V = V_R/cosγ В выбранной группе количество эталонов определяется структурой алфавита распознаваемых классов. Поступая на вход блока 16, эталонные массивы данных отождествляются с рабочим массивом и по наибольшей мере сходства принимается решение а пользу того или иного класса. Сигнал, пропорциональный номеру класса, поступает с выхода микропроцессора 16 на вход блока вывода результатов распознавания 14, который индуцирует внешний облик или название класса воздушного объекта, в пользу которого произведено распознавание.

ЛИТЕРАТУРА
1. Авт. св. СССР N 1561703, кл. G 01 S 13/02. Приоритет 12.07.88 г.

2. Небабин В. Г. Сергеев В.В. Методы и техника радиолокационного распознавания. М. Радио и связь, 1984, С.36-37 (рис. 2.2).

3. Гудков А. И. Лешаков П.С. Внешние нагрузки и прочность летательных аппаратов, М. Машиностроение, 1968, 470 с.

4. Лавров Б. А. Мостовой А.С. Вибрации частей самолетов и вертолетов. Куйбышев: Высшая школа, 1976, 41 с.

5. Сидоренко М.К. Виброметрия газотурбинных двигателей, М. Машиностроение, 1973, 224 с.

6. Сиротин К.Н. Коровкин Ю.М. Техническая диагностика авиационных газотурбинных двигателей. М. Машиностроение, 1979, 272 с.

7. Гладкий В.Ф. Прочность, вибрация и надежность конструкции летательного аппарата. М. Наука, 1975, 456 с.

8. Иностранные авиационные газотурбинные двигатели (по данным иностранной печати). / Под ред. Г.В.Скворцова, ЦИАМ. 12978, 324 с.

9. Jane's all the worips aircraft. 1983-84, London 905 p.

Формула изобретения

Радиолокационное распознающее устройство, содержащее генератор сверхвысокой частоты, модулятор, а также последовательно включенные антенну, антенный переключатель и приемник, отличающееся тем, что дополнительно введены синхронизатор, система измерения дальности, система управления антенной, аналого-цифровой преобразователь, запоминающее устройство, счетно-решающий прибор, система измерения скорости, вычислитель быстрого преобразования Фурье, а также блок радиолокационного распознавания, состоящий из микропроцессора, блока выбора эталонов и блока вывода результатов распознавания, причем второй вход антенного переключателя связан с выходом генератора сверхвысокой частоты, вход которого соединен с выходом модулятора, вход которого связан с выходом синхронизатора и вторым входом системы измерения дальности, выход которой подключен к первому входу счетно-решающего прибора, а вход к первому выходу приемника, входу системы управления антенной и входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого связан с входом запоминающего устройства, выход которого соединен с входом вычислителя быстрого преобразования Фурье, выход которого подключен к первому входу микропроцессора, выход которого соединен с входом блока вывода результатов распознавания, а второй вход с выходом блока выбора эталонов, первый вход которого связан с выходом системы измерения скорости, а второй вход с выходом счетно-решающего прибора, второй вход которого подключен к второму выходу системы управления антенной, первый выход которой механически связан с антенной, а второй выход приемника соединен с входом системы измерения скорости.

РИСУНКИ

Рисунок 1