Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ возможностей радиолокационных систем в терагерцовом диапазоне радиоволн 12
1.1 Особенности применения радиолокационных датчиков информации в зоне аэропорта 14
1.2 Потенциальные возможности современной радиолокационной
техники обнаружения наземных объектов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах радиоволн 25
1.3 Анализ особенностей отражательных и излучательных характеристик наземных объектов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах радиоволн 31
1.3.1 Особенности распространение радиоволн 31
1.3.2 Характеристики отражения типовых наземных объектов 46
1.3.3 Характеристики радиоизлучения наземных объектов 51
1.4 Основные требования к аппаратуре обнаружения и пеленгации наземных объектов в терагерцовом диапазоне радиоволн 61
1.5 Методика оценки эффективности автоматизированных радиолокационных систем контроля в зоне ответственности 64
1.5.1 Обобщенный критерий эффективности автоматизированных радиолокационных систем контроля в зоне ответственности 64
1.5.2 Методика оценки эффективности комплексной системы контроля обстановки в зоне ответственности аэропорта 78
Выводы 81
Глава 2 Обоснования принципов построения и оценка параметров радиолокационных датчиков обнаружения наземных объектов 86
2.1 Разработка моделей и методик оценки параметров и структуры построения активных радиолокационных датчиков обнаружения наземных объектов 86
2.1.1 Обоснование энергетических возможностей активных датчиков 86
2.1.2 Оценка характеристик обнаружения радиолокационного датчика для алгоритма последовательного обнаружения радиолокационных объектов по корреляционным свойствам их поляризационных параметров 95
2.1.3 Оценка помехозащищенности радиолокационного активного датчика 99
2.2 Моделирование функционирования и оценка эффективности активных датчиков 105
2.3 Разработка моделей и методик оценки параметров и структуры построения пассивных и пассивно-активных радиолокационных датчиков обнаружения наземных объектов 109
2.3.1 Моделирование и оценка дальности действия пассивных датчиков ПО
2.3.2 Обоснование основных параметров пассивно-активных датчиков 113
2.3.3 Анализ скрытности в работе РЛД-ПА 118
2.4 Моделирование функционирования и оценки эффективности РЛД-ПА 119
Выводы 122
Глава 3 Оценка информационных свойств устройств сигнализации и методы обработки радиолокационных сигналов 127
3.1 Информационные свойства радиолокационных датчиков обнаружения наземных объектов 127
3.1.1 Модель и оценка количества информации РЛД-А обнаружения наземных объектов 130
3.1.2 Модель и оценка уровня информационных потерь радиолокационных систем 136
3.1.3 Поляриметрические устройства повышенной информативности для формирования и обработки сигнала для селекции наземных объектов 142
3.1.4 Математическая модель оценки информационных возможностей пассивных РЛС обнаружения наземных объектов... 150
3.2 Анализ методов и способов обработки радиолокационных сигналов 154
3.3 Оценка возможности аппаратной реализации счетно-цифрового вычислительного устройства для обработки сигналов 157
3.4 Требования к автоматизированным системам управления с радиолокационными средствами охранной сигнализации и оценка возможностей удовлетворения требований в вычислительных ресурсах 160
3.4.1 Требования к автоматизированным системам управления 160
3.4.2 Оценка возможностей удовлетворения требований и
потребностей в вычислительных ресурсах для решения задач
охранной сигнализации 161
Выводы 167
Заключение 171
Список литературы 177
- Анализ особенностей отражательных и излучательных характеристик наземных объектов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах радиоволн
- Моделирование функционирования и оценка эффективности активных датчиков
- Модель и оценка количества информации РЛД-А обнаружения наземных объектов
- Требования к автоматизированным системам управления с радиолокационными средствами охранной сигнализации и оценка возможностей удовлетворения требований в вычислительных ресурсах
Введение к работе
Актуальность работы. Основной задачей средств охранной сигнализации является своевременное обеспечение обнаружения и распознавания (классификации) одиночных и групповых малоразмерных объектов (человека и техники) на охраняемых объектах. Целью нейтрализации охранной системы в процессе несанкционированного воздействия, как правило, является попытка снижения её рабочей эффективности, а также частичное или полное разрушение охраняемого объекта.
Если площадь охраняемого объекта имеет большие пространственные размеры (до нескольких сотен метров, а иногда и больше), то для предупреждения о нарушении системы охраны в настоящее время применяются сейсмические и акустические приборы (датчики). Указанные датчики обеспечивают выдачу информации (сигналов) о факте появления объекта-нарушителя, что дает возможность для последующего обнаружения и распознавания его на определенных дальностях с помощью оптико-электронных средств. Однако необходимо отметить, что высокая эффективность такой системы обеспечивается, когда имеет место хорошая оптическая видимость. Если оптическая видимость низкая, когда появляются сильные туманы (дальность видимости - 20...50 м), дымовые или пылевые помехи, то эффективность оптической системы в значительной степени снижается, а иногда работа её просто срывается.
Опыт разработки и совершенствования технических средств обслуживания работы охранных систем показывает, что выполнение такой объемной задачи в условиях плохой оптической видимости невозможно без применения радиолокационных систем (датчиков), работающих в короткой части миллиметровых волн или даже в длинноволновой части СБММ волн.
Поэтому разработка моделей и методик обоснования и оценки параметров вновь создаваемых радиолокационных активных и пассивных устройств на охраняемых территориях (например, территории аэропорта) в условиях плохой видимости за счет применения техники более информационного терагерцового (ТГц) СВЧ диапазона (короткая часть миллиметровых и длинная часть СБММ) радиоволн своевременна и актуальна.
Такие устройства должны быть малогабаритными, иметь высокие разрешающие способности по дальности и угловым координатам, а также обеспечивать высокий уровень вероятности правильного обнаружения (распознавания) наземных объектов.
Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования позволяют заключить, что такими радиотехническими системами обнаружения малоразмерных объектов с высокой вероятностью и в условиях плохой оптической видимости могут быть радиолокационные датчики (РЛД) (системы) миллиметрового диапазона (ММД) радиоволн. Особое место здесь занимают радиолокационные системы (РЛС), работающие в короткой части ММД радиоволн, которые по многим основным параметрам такой техники более эффективны по сравнению с РЛС, работающих в длинноволновой части ММД и тем более в сантиметровом диапазоне.
Поэтому разработка методического аппарата обоснования основных принципов построения и параметров радиолокационных устройств, работающих в новом более информативном ТГц диапазоне радиоволн, используемых на охранных территориях в условиях плохой оптической видимости, является актуальной
научной задачей.
Актуальность задачи исследования обусловлена:
- необходимостью дальнейшего совершенствования РЛД, построенных на базе
радиолокационных устройств, работающих в новом более информативном ТГц
диапазоне радиоволн;
- обеспечением обнаружения и распознавания (классификации) одиночных и
групповых малоразмерных объектов (человека и техники) в зоне ответственности
аэропорта;
- необходимостью разработки математических моделей, методов и
алгоритмов, обеспечивающих возможность оперативного решения
оптимизационных задач в процессе создания перспективных и совершенствования
существующих РЛД.
Целью работы является совершенствование радиолокационных устройств с автоматизированным управлением за счет применения техники ТГц диапазона радиоволн, обеспечивающего высокие вероятности обнаружения и угловые точности пеленгации наземных объектов в условиях плохой оптической видимости.
Объектом исследования являются РЛД обнаружения малоразмерных наземных объектов в ТГц диапазоне радиоволн.
Предметом исследования является совокупность алгоритмов, моделей и методик, используемых при разработке и совершенствовании РЛД за счет применения техники ТГц диапазона радиоволн.
Поставленная цель достигается решением следующих задач, составляющих основные этапы исследования:
-
Анализ особенностей распространения радиоволн в ТГц диапазоне радиоволн и оценка потенциальных возможностей техники миллиметрового и СБММ диапазонов радиоволн в условиях плохой оптической видимости.
-
Анализ технических возможностей современных технических средств, применяемых в ТГц диапазоне радиоволн, для обнаружения наземных объектов и путей повышения эффективности функционирования охранных систем.
-
Разработка методик и математических моделей РЛС для оценки эффективности комплексных автоматизированных систем контроля в зоне ответственности.
-
Обоснование основных требований к активным и пассивным РЛД обнаружения наземных объектов и оценки основных энергетических параметров активных РЛД обнаружения наземных объектов с учетом размещения их на различных высотах.
5. Разработка алгоритма последовательного обнаружения радиолокационных
объектов по корреляционным свойствам их поляризационных параметров и оценка
эффективности РЛД обнаружения наземных объектов.
-
Разработка варианта блок-схемы пассивно-активного радиолокационного датчика (РЛД-ПА) и обоснование основных параметров РЛД-ПА обнаружения объектов.
-
Обоснование математических моделей РЛС применительно с оценкой информационных возможностей активных, пассивных и активно-пассивных РЛД.
8. Разработка схемных вариантов структурного построения и выбор
параметров РЛД обнаружения наземных объектов.
Методы исследований. При решении поставленной в диссертации научной задачи использовались методы статистической радиотехники, искусственного интеллекта, методы построения математических моделей, проектирования и оптимизации структур информационных систем, методы корреляционно-регрессионного и факторного анализа выборочных экспериментальных данных.
Научная значимость и новизна работы заключается в том, что впервые разработаны методические положения по обоснованию принципов построения и основных параметров РЛД в ТГц диапазоне радиоволн для обнаружения и пеленгации объектов с высокой вероятностью для решения охранных задач в условиях плохой оптической видимости с автоматизированной передачей информации.
В рамках научной задачи, решаемой в работе, получены следующие результаты, имеющие научную новизну:
-
Разработана методика и математические модели РЛС для оценки эффективности комплексных автоматизированных систем контроля в зоне ответственности аэропорта, имеющих в своем составе в качестве источников информации активные и активно-пассивные РЛД ТГц СВЧ диапазона, где в качестве показателей выбраны два критерия - количество информации радиолокационного канала и уровень возможных потерь информации в радиолокационном канале, с помощью которых сделана оценка эффективности информационных возможностей РЛД.
-
Разработана математическая модель и методика оценки основных энергетических параметров активных РЛД обнаружения наземных объектов, с учетом размещения их на различных высотах (от 2 до 30 м) для равнинной и холмистой местности, которые позволяют определить дальность действия системы и вероятностные показатели в процессе обнаружения и сопровождения объекта, в условиях плохой оптической видимости.
3. Разработан алгоритм последовательного обнаружения радиолокационных
объектов по корреляционным свойствам их поляризационных параметров и
проведена оценка эффективности РЛД обнаружения наземных объектов.
4. Предложен вариант блок-схемы РЛД-ПА и обоснованы основные
параметры РЛД-ПА обнаружения объектов (рабочий диапазон 1,3 мм; дальность
действия по неподвижному объекту (автомашина) до 1 км и движущемуся до 3 км),
оценка эффективности которого показала, что новый РЛД позволяет в секторе
поиска 30 обнаружить в условиях плохой оптической видимости открыто
расположенных объектов на дальности до 3 км не менее чем 50%, а
замаскированных на дальности 1,5 км до 35...40%.
5. Обоснованы математические модели РЛС (как метрических) применительно
к обработке информации активных, пассивных и активно-пассивных РЛД, где в
качестве показателей выбраны два критерия: количество информации
радиолокационного канала и уровень возможных потерь информации в
радиолокационном канале, с помощью которых сделана оценка эффективности
информационных возможностей РЛД.
6. Разработаны схемные варианты структурного построения и выбор
параметров РЛД обнаружения наземных объектов.
Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, вытекает из корректной постановки задач исследований, обоснованности применяемых математических методов и обеспечивается проведением расчетов на ЭВМ с контролируемой точностью; подтверждается сопоставлением аналитических и численных результатов, совпадением их с известными решениями, в том числе, с экспериментальными данными и ранее реализованными на практике рекомендациями для частных случаев.
В рамках поставленной в работе научной задачи решается ряд частных исследовательских задач, при этом на защиту выносятся следующие положения:
-
Методическое обеспечение и результаты исследований распространения миллиметровых радиоволн в условиях плохой оптической видимости (гидрометеоры и пыледымовые помехи).
-
Математическая модель и методика для обоснования требований к РЛД, обеспечивающим выполнение задач обнаружения малоразмерных объектов в условиях плохой оптической видимости.
3. Результаты оценки потенциальных возможностей применения ТГц
диапазона радиоволн в РЛД, работающих как в активном, так и пассивном режимах.
4. Модели и методики оценки основных параметров и эффективности РЛД
обнаружения малоразмерных наземных объектов.
5. Схемные варианты структурного построения и предложения по
техническому облику РЛД в ТГц диапазоне радиоволн в условиях плохой
оптической видимости.
Практическая ценность работы диссертационной работы определяется тем, что предложенный методический аппарат доведен до логического завершения в виде алгоритмов и программ для оценки параметров функционирования РЛС обнаружения объектов в условиях плохой оптической видимости. Результаты работы реализованы в технических заданиях на НИОКР при разработке радиолокационной техники обнаружения и целеуказания.
Реализация полученных результатов. Разработанные методики, математические модели и алгоритм совершенствования радиолокационных устройств с автоматизированным управлением за счет применения техники терагерцового диапазона радиоволн использованы при совместном с ОАО «Центральное конструкторское бюро аппаратостроения» (г. Тула) проведении НИР «Шелкопряд» (2007...2008 гг.); компоненты программного обеспечения использованы в учебном процессе Тульского артиллерийского инженерного института по кафедре «Радиолокационное вооружение».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и одобрены на заседаниях ученого совета и кафедры «Радиолокационное вооружение» Тульского артиллерийского инженерного института; научно-технических конференциях Тульского государственного университета (2009, 2010 гг.); научно-технических конференциях Тульского артиллерийского инженерного института (2008, 2009, 2010 гг.); на XIX и XXI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции (г. Казань); VII Научно-технической конференции Российской академии ракетных и артиллерийских наук (г. Пенза); в 3 Центральном научно-исследовательском институте Министерства обороны Российской Федерации.
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 10-ти печатных работах, в том числе в 5-ти в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для публикации основных научных результатов на соискание ученой степени кандидата наук и патент на изобретение Российской Федерации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 149 страниц печатного текста, содержит 64 рисунка и 46 таблиц. Список литературы включает 106 наименований.
Анализ особенностей отражательных и излучательных характеристик наземных объектов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах радиоволн
Основная функция систем управления наземным движением (СУНД) -функция безопасности наземного движения - обеспечивается путем: предотвращения несанкционированного или непреднамеренного доступа на эксплуатируемые взлетно-посадочные полосы (ВПП); оказания оперативной помощи аварийно-спасательным и пожарным транспортным средствам в определении места происшествия на рабочей площади аэродрома. Для решения указанных задач СУНД включает в себя комплекс радиоэлектронных, электросветотехнических средств, специального оборудования, процедур и правил, предназначенных для организации безопасного и упорядоченного движения ВС, транспортных средств и персонала на рабочей площади аэродрома. Характеристики СУНД определяются следующими основными эксплуатационными требованиями: общим характером, включающим в себя необходимость наличия связи соответствующих органов управления между собой, с ВС и с наземным транспортным средством, приемлемыми рабочими нагрузками на пользователей СУНД, оптимальным использованием средств и процедур ИКАО, совместимостью отдельных элементов системы между собой и с взаимодействующими системами, наличием информации о текущих и прогнозируемых метеоусловиях; требованиями, предъявленными экипажем и включающими в себя необходимость четкой ориентации ВС при движении его по рабочей площади аэродрома, информации о маршруте следования и местонахождения ВС, предупреждения в случае изменений направления движения, остановок и возможных корректировок скорости; обозначения площадей, которых следует избегать при движении; получения информации, необходимой для предотвращения столкновения с другими ВС, с наземными транспортными средствами или препятствиями, а также информации об отказах системы, влияющих на безопасность; требованиями, предъявляемыми органами УВД и включающими в себя необходимость получения информации о номере ВС, его местонахождении и движении наземных транспортных средств, представляющих опасность для движения ВС, информации о наличии временных препятствий и других видов опасности для движения ВС и об эксплуатационном состоянии системы, а также оборудования, связанного с определением контроля ее работоспособности; требованиями, предъявляемыми водителями наземных транспортных средств при движении на рабочей площади аэродрома. Транспортные средства должны обеспечиваться информацией о маршруте следования, а также информацией, необходимой для предотвращения столкновения с ВС и с другими наземными средствами, а водители аварийных транспортных средств - также информацией о месте аварии. Система управления наземным движением должна также обеспечивать регулярность полетов в различных эксплуатационных условиях.
Регулярность нарушается, прежде всего, с ростом интенсивности воздушного движения, а также при пониженной видимости. В связи с этим СУНД должна быть совместима с пропускной способностью ВШ по посадкам и взлетам, с требованиями, предъявляемыми к аэродромам, (например, планировка аэродрома). В зависимости от интенсивности взлетов и посадок различают 3 класса систем, предназначенных соответственно для аэродромов с незначительной (не более 20 взлетов/посадок на аэродроме), средней (20-35 взлетов/посадок) и значительной (более 35 взлетов/посадок) интенсивностью. В зависимости от метеорологических условий видимости имеются 4 категории систем: первая, когда видимость позволяет экипажу выполнять визуальное руление и избегать столкновения с другими участниками наземного движения, а также обеспечивает соответствующим органам возможность осуществлять контроль за всем движением на основе визуального обзора; вторая, когда горизонтальная видимость находится в пределах 400-800м и позволяет экипажу осуществить визуальное руление и избегать столкновения, но не обеспечивает наземным органам возможность осуществлять визуальный контроль за всем движением; третья, когда горизонтальная видимость менее 400 м и все операции экипажи ВС и наземные органы осуществляют в условиях ограниченной видимости; четвертая, когда горизонтальная видимость менее 400 м и все операции экипажи ВС и наземные органы осуществляют в условиях ограниченной видимости (ночное время, сильный туман и т.д.). Таким образом, все аэродромы нуждаются в системах управления наземным движением. Однако каждая система должна соответствовать условиям, в которых планируется эксплуатировать аэродром. Отсутствие на аэродроме СУНД может привести к снижению его пропускной способности. На аэродромах, где условия видимости и интенсивность полетов не представляют проблем для наземного движения ВС и других транспортных средств, на-личие сложных СУНД необязательно. В связи с этим СУНД разрабатываются по модульному принципу таким образом, чтобы по мере роста интенсивности и необходимости обеспечивать полеты во всех более сложных метеоусловиях, они дополнялись соответственно компонентами. При выборе структуры СУНД важную роль играют финансовые соображения, однако, следует обратить внимание на то, что даже выбор отдельных компонентов системы и их расположения на первом этапе может оказаться дорогостоящим (например, установка осевых огней РД), то с учетом дальнейшего развития системы такое решение может привести к более рациональному использованию средств. Как видно из представленной на рис. 1.1 обобщенной структурной схемы системы управления наземным движением, она включает в себя сочетание визуальных и невизуальных средств ориентации и определения местоположения ВС и наземного транспортного средства, средства радиотелефонной связи, контроля и инфор-мации. Системы могут варьироваться от очень проетых на небольших аэродромах с малой интенсивностью полетов и эксплуатируемых только в условиях хорошей видимоети, до сложных систем на больших и загруженных аэродромах, где ВС и транспортные средства эксплуатируются и в условиях очень плохой видимости. В последнем случае эти системы являются автоматизированными, так как они должны обеспечивать диспетчеру, помимо указания на место нахождения ВС и транспортного средства, оптимизацию маршрута движения каждого ВС по сложной наземной структуре РД, а также еведению к минимуму использования речевой связи между ВС и диспетчером. В случае появления неисправностей в таких автоматизированных системах, они не должны влиять на безопасность, а вся система должна отвечать требованиям аэродромного действия в аварийной ситуации. В связи с заинтересованностью в СУНД различных служб аэродрома (не только служб движения и ЭРТОС, как это имеет место в АС УВД), необходима полная координация форм использования СУНД с целью обеспечения совместимости ее в настоящем и будущем с требованиями к инженерному оборудованию аэродрома, его эксплуатации, а также совместимости контроля за воздушным движением (ВД) и связи в системах УВД. На аэродромах совместного базирования должна дополнительно обеспечиваться координация со средствами и с ведомственными пунктами управления полетами данного аэродрома. Оеновные комплексы технических средств и систем, входящих в состав СУНД, представлены в табл. 1.2. Управление воздушным движением при ограниченной видимости и ночью в значительной мере основывается на светосигнальных средствах, размещенных по определенной схеме и имеющих характеристики, удовлетворяющие требованиям хорошего их различения в самых сложных условиях видимости.
Моделирование функционирования и оценка эффективности активных датчиков
Реально сложившаяся ситуация с разработкой и боевым использованием АС контроля наземной обстановки такова, что еще долго ее основой будут радиолокационные станции и комплексы. Это, в первую очередь, связано с всепо-годностью и всесуточностью указанных источников информации, возможностями достаточно просто и точно определять с их помощью координаты и параметры движения целей в автоматическом режиме.
Однако уже в настоящее время активно прорабатываются вопросы ком-плексирования радиолокационных средств наблюдения с другими, в частности, оптико-электронными, которые более просто и оперативно решают задачи рас-познавания типов и классов целей [84,91].
В настоящее время уровень разработок пассивных ОЭСН предоставляет широкие возможности по их использованию для решения различных задач (охрана границы, спасательные операции, экологический мониторинг и т.п.).
Для решения задач в интересах наблюдения в зоне аэропорта наиболее интересными являются ОЭСН, работающие как в видимом, так и в ИК-диапазонах спектра (ближнем, среднем и дальнем). Поскольку существование вышеупомянутых естественных излучений объектов является своего рода непреходящим фактором, пассивные ОЭС будут всегда рассматриваться в качестве потенциальных средств для включения их в состав вновь разрабатываемых автоматизированных систем наблюдения, применяемых для охраны спецобъектов [86,97,98].
Введение оценки эффективности ОЭСН дает возможность избежать предъявления как завышенных, так и заниженных ТТТ, и исключитъ, таким образом, возможность их последующей неэффективной работы.
В данном разделе рассматривается оценка эффективности пассивных ТВП при использовании их в составе автоматизированных комплексов для решения задач охраны сухопутных и береговых участков границы.
Определение эффективности ТВП можно разделить на несколько стадий; первая стадия - построение математической модели ТВП, предусматривающая расчет вероятностных характеристик визуальной регистрации наблюдателем с помощью ТВП факта наличия объекта в той или иной пространственной плоскости и связанных с принятием решения о признании того или иного объекта за искомый; вторая стадия - оценка показателей надежности работы ТВП; третъя стадия - расчет комплексного показателя эффективности.
Учитывая, что ТВП работает как средство доразведки, можно сделатъ ряд упрощающих предложений: - ТВП работает в комбинации с РЛС и обеспечивается от нее внешним целеуказанием по наземным (надводным) объектам, что позволяет ТВП работатъ в беспоисковом режиме; - наличие ЦУ от РЛС свидетельствует о том, что цель находится в прямой видимости одновременно РЛС и ТВП; - в видеотракте ТВП реализованы специальные аппаратные способы выравнивания светочувствительных параметров отдельных элементов разрешения фотоприемного устройства, а также специальные аппаратурные способы выравнивания средней яркости фона в пределах поля зрения; - оператор находится в условиях, не вносящих ограничение на время обнаружения (распознавания) объекта. Визуалъное восприятие объектов по формируемым ТВП их изображениям определяющим вероятностные характеристики обнаружения, распознавания этих объектов определяется следующими факторами: - размеры и исходные температурные контрасты объектов; ослабление этих контрастов слоем атмосферы на трассе «ТВП - цель»; контрастная чувствительность системы «ТВП + наблюдатель» на пространственных частотах объекта, соответствующих режимам их обнаружения, распознавания с теми или иными уровнями вероятности.
В работе [96] получены выражения для вероятностей обнаружения и распознавания целей с использованием ряда эмпирических зависимостей [93,95]. Там же [96] получено выражение для функции, характеризующей ТВП: і . г лй г , тип І Z. К o6max - размеры объекта в наблюдаемой плоскости (м); АГб 0 р - пороговый перепад радиационных температур объекта и фона на низких пространственных частотах в режиме обнаружения, распознавания (К) - паспортные данные; д(рГВП0гР - угловое разрешение ТВП в режимах обнаружения и распознавания (рад)- паспортные данные; к0іР- количество штрихов замещающей миры; Те » 0,2 с - среднее время интегрирования глазом наблюдателя сигнала и шума, с той или иной детали изображения на экране ВКУ; FO6H - частота обновления видеоинформации на экране ВКУ (Гц) - паспортные данные; R - расстояние до объекта (м); a0tP - параметры распределений Гаусса, аппроксимирующих модуляционные передаточные функции ТВП (МПФТВП) в режимах обнаружения, распознавания в координатах пространственных частот объектов: ао рад (0,25 3)х10-3; ар , рад (0,03 1)хlO-3. агл 2,5х10"4 рад, - параметры распределения Гаусса, аппроксимирующие модуляционную передаточную функ-цию глаза на пространственных частотах объекта; Г0 р - оптическое увеличение обеспечиваемое системой в режимах обнаружения, распознавания - паспортные данные.
Необходимыми условиями для принятия решения наблюдателем об отнесении привлекших его внимание на рассматриваемой сцене фрагментов и искомому объекту путем сопоставления их формы и внутренних деталей с аналогичными характеристиками этого объекта (эталона), хранящимися в его памяти, являются: - на видимой проекции фрагмента в картинной (перпендикулярной линии визирования) плоскости должно «укладываться» вполне определенное число различимых глазом наблюдателя деталей; - все детали должны уверенно различаться в пространстве изображений (в индикаторном поле ВКУ).
Первое условие определяется с помощью эмпирических джонсоновских вероятностных характеристик. Второе условие, определяющее качество видения каждой из деталей, характеризуют отношением сигнал / шум по каждому из воспроизводимых глазом наблюдателя штрихов эквивалентной штриховой меры.
По полученным данным S и АГ\Х вычисляется отношение сигнал шум и вероятностные характеристики ТВП [96]: вероятность обнаружения Р0 и вероятность распознавания Рр_ Используя эти результаты [96], аналогично звену АРЛС [92], исходя из влияния каждого частного показателя на эффективность ТВП, введем понятие обобщенного критерия эффективности звена Кэтт:
Модель и оценка количества информации РЛД-А обнаружения наземных объектов
Из сказанного следует, что при отсутствии дефицита времени, когда фактор скорости обзора не имеет существенного значения, например, в ночных условиях в период обзора периметра охраняемой территории, такие РЛД-ПА могут применяться достаточно эффективно.
На основе проведенных исследований в работе появилась возможность предположить основные параметры РЛД-ПА обнаружения объектов, которые представлены в табл. 2.12. На рис. 2.18 приведен вариант альтернативной блок-схемы РЛД-ПА [82]. Принцип работы РЛД-ПА заключается в следующем. РЛС сканирует ДНА в заданном секторе поиска. Радиотепловой сигнал излучения обнаруженного объекта проходит через циркулятор, модулируется по амплитуде при помощи переключателя модулятора и поступает на один из входов сумматора. На другой вход сумматора от СВЧ-генератора через направленный ответвитель, устройство регулировки мощности сигнала, циркулятор и переключатель-модулятор, работой которого управляет переключающий генератор, поступает высокочастотный сигнал. С выхода сумматора сигнал, представляющий аддитивную смесь части сигнала СВЧ-генератора и замодулированного по амплитуде радиотеплового излучения объекта, поступает на вход диодного смесителя.
С выхода смесителя преобразований сигнал от объекта поступает на вход радиотеплового канала, настроенного на разностную частоту по несущей частоте СВЧ-генератора и средней частоты анализируемого радиотеплового сигнала.
В зависимости от уровня радиотеплового сигнала от объекта на входе радиотеплового канала присутствует сигнал соответствующего уровня. Этот сиг 117 нал подается на вход блока обработки информации и далее в блок индикации, а также на пороговое устройство, на другой вход которого поступает сигнал с выхода генератора эталонных напряжений, соответствующих величинам излучений различных типов разведываемых объектов.
При превышении выходным сигналом радиотеплового канала заданного уровня, на выходе порогового устройства появится сигнал, который поступает на вход блока управления. Сформированный сигнал на блоке управления поступает на устройство регулировки уровня мощности принимаемого сигнала и переводит его в открытое состояние для излучения СВЧ-сигнала.
Радиотепловой канал в этот период временно закрыт. В этом случае сигнал СВЧ-генератора через направленный ответвитель, открытый блок регулировки мощности и циркулятор подается на вход антенны и излучается в пространство в направлении на объект.
Принятый отраженный от объекта сигнал, пройдя через последовательно соединенные циркулятор, переключатель-модулятор, сумматор и смеситель, поступает на вход радиолокационного канала. , радиотепловоц сигнал,(Pk )
С выхода радиолокационного канала сигнал от объекта поступает на вход блока обработки счетно-решающего устройства для определения координат объекта.
В целом синхронизация процессов работы РЛД-ПА осуществляется хро-низатором. После получения координат объекта радиолокационный канал закрывается через определенное время сигналом с хронизатора или оператором, который снова может продолжать поиск очередного неподвижного объекта.
В случае обнаружения движущегося объекта работа РЛД-ПА производится по изложенной программе, но в этом случае моментом для отключения ра 118 диотеплового канала может быть момент времени выхода объекта из ДНА. Это ведет к тому, что устройство регулировки мощности закрывается и РЛД-ПА снова переходит в пассивный режим работы.
Несомненным достоинством такой пассивно-активной системы является обеспечение высокой помехозащищенности. Это достигается как за счет скрытности работы станции при пассивном режиме, так и за счет применения в РЛД-ПА короткой части ММ диапазона или ТГц диапазона.
Для оценки скрытности работы пассивно-активной радиолокационной системы проведена сравнительная оценка активной и пассивной РЛС по показателю, характеризующего вероятность обнаружения их средствами радиотехнического обнаружения (разведки) (Робн.ртр). В качестве активной РЛС обнаружения движущихся наземных объектов ближнего действия (до 3 км) выбрана штатная РЛС СВР -3 и в качестве пассивной РЛС - пассивно-активное РЛД-ПА. Предполагалось:
РЛД-ПА с шириной ДНА 20 совершает обзор в секторе 30, где расположены 30 объектов, и за время 3 минуты обеспечивает их обнаружение и определение координат (каждые 3 минуты необходимо обновление данных об объекте);
При сопоставлении РЛС отличаются временем обзора в соответствии с их реальными возможностями (РЛД-ПА - минуты, активная РЛС обнаружения -секунды);
РЛД-ПА в режиме кратковременного излучения обеспечивает последовательно всех объектов; энергетические характеристики средств РТР обеспечивает в секторе обнаружения 90 вероятность обнаружения близкую к 1, при совпадении главных лепестков ДНА.
Таким образом, комплексирование пассивных РЛС с активными радиодальномерами позволит выполнить задачу измерения дальности до объекта, ее селекцию по дальности, а также появляется возможность существенного повышения помехозащищенности. Кроме того, использование в РЛД-ПА единых системных узлов, например, антенно-фидерной системы, дает возможность уменьшить их вес и габариты, а также улучшить потенциальные возможности по распознаванию неподвижных (в том числе и замаскированных) наземных объектов.
Как уже отмечалось выше основной задачей, эффективное выполнение которой может обеспечиваться с использованием РЛД-ПА, является скрытное обнаружение и распознавание одиночных и групповых, особенно неподвижных (замаскированных и укрытых), наземных объектов.
Применение радиолокационных средств скрытного обнаружения на неболъших дальностях подтверждается практикой. Известен ряд задач, связанных, например, с выполнением военных задач по контролю (охране) участков местности [12,52], когда требуется скрытное обнаружение и распознавание располагающихся на переднем крае техники и живой силы противоборствующей стороны. Для моделирования предполагается, что все располагающиеся перед передним краем противника объекты будут разведыватъся с помощъю пассивно-активных локационных систем, но если они будут достаточно эффективны, то, безусловно, их применение будет самым необходимым.
Моделъ оценки эффективности ПРЛУ указанного военного назначения из [52] в данной работе была переработана и приспособлена для оценки эффективности РЛД-ПА охранной системы.
В качестве критерия оценки эффективности РЛД-ПА в данном случае возможно применитъ, как и для военной задачи, математическое ожидание (МОЖ) относителъного количества своевременно обнаруженных незамаскированных (открыто функционирующих), нз, и замаскированных (малоподвижных), Жз, наземных объектов из общего числа находящегося в зоне поиска, которое описывается в зависимости от характера выполняемой задачи формулами [52]:
Требования к автоматизированным системам управления с радиолокационными средствами охранной сигнализации и оценка возможностей удовлетворения требований в вычислительных ресурсах
Обработка радиолокационной информации (РЛИ) для получения достаточно достоверных данных об интересующем нас объекте и своевременной передаче информации потребителю в реальном масштабе времени и чаще выполняется в цифровом виде, как и предполагается применять в рассматриваемых радиолокационных сигнализационных устройствах. Система цифровой обработки РЛИ является элементом системы сбора и обработки, входящей в состав автоматизированной системы управления (АСУ) как основное её звено. На основе полученной системой информации происходит организация и ведение функциональных действий любого активного потребителя.
Носителем полезной информации является принятый приемником радиолокационный сигнал, который представляет собой случайный процесс, и, в нашем случае, обладающий большей информативностью по сравнению с системами более длинноволновых диапазонов волн.
Как правило, в современных методах анализ принятого сигнала для извлечения из него полезной информации осуществляется при помощи статистических методов, требующих выполнения большого количества логических и вычислительных операций в реальном масштабе времени
Из современной научно-технической литературы также известно, что методы обработки сигнала это составная часть получения РЛИ, математическое описание которой является достаточно сложным. Функция обработки РЛИ делятся на этапы и операции, анализируемые отдельно. На основе этого анализа в последующем осуществляется синтез устройств и алгоритмов обработки. Так как по своим возможностям человек не в состоянии решить эту задачу, то для обработки применяются цифровые устройства и ЭВМ. Поскольку малогабаритные ЭВМ имеют ограниченные возможности по быстродействию и объему памяти, что не позволяет обрабатывать информацию с одинаковым качеством обо всех объектах, то система обработки чаще всего строится по двухканальному принципу (канал обнаружения и канал сопровождения) [65].
Независимо от применяемого диапазона процедура обработки РЛИ одинакова и определяется первичной и вторичной обработкой, поэтому здесь рассматриваются общие направления совершенствования методов и способов обработки радиолокационных сигналов [66, 67] .
На особенности, свойственные миллиметровому и субмиллиметровому диапазонам радиоволн, будет обращено внимание по тексту.
В результате первичной обработки принятые сигналы фиксируются с помощью индикаторных устройств того или иного вида, а также кодируются, т.е. преобразовываются в форму, удобную для их дальнейшей обработки и передачи по каналам связи. Такой процесс называется квантованием. Вопросам квантования в современной научно-технической литературе уделяется достаточно большое внимание.
Цифровая обработка возможна на всех этапах радиолокационного наблюдения: обнаружения, целеуказания, сопровождения и не только одиночных объектов, но и группы, с сохранением непрерывного обзора пространства. В таких системах первичная и вторичная обработка сигналов полностъю автоматизирована. При этом широко применяют специализированные цифровые вычислителъные устройства. Они обладают высокой точностью, возможностью длительного накопления слабых сигналов, гибкостью структуры с подчинением её специфическим задачам радиолокации, быстродействием, высокой надежностью, возможностью микроминиатюризации.
Основные операции первичной обработки сигналов - обнаружение и измерение параметров с методической точки зрения, как правило, анализируется раздельно. В соответствии с этим цифровую обработку сигналов производят с помощью двух устройств: обнаружителя сигналов и измерителя координат. Операции обнаружения полезного сигнала предшествует предварительное преобразование квантизатором непрерывных по времени и амплитуде напряжений в цифровую (дискретную) форму [3]. В зависимости от вида обрабатываемых сигналов выход приемника может быть линейным или нелинейным. Линейный выход соответствует фазовому, а нелинейный - амплитудному детектированию входных сигналов. Фазовое детектирование используется при цифровой обработке когерентных сигналов, а амплитудное - при обработке некогерентных пачечных.
Поскольку обработку радиолокационной информации, особенно в автоматизированных системах управления (АСУ), трудно рассматривать в отрыве от методов и средств приема и передачи, тем более, с использованием процессоров и ЭВМ, то ниже представим сравнительный анализ возможностей проведения таких процедур на примере обработки радиосигналов коммуникационной радиотехнической системы применительно к сигнализационным устройствам [3]. Такая схема в настоящее время достаточно хорошо отработана. Справедливость такого подхода может также определяться и тем, что рассматриваемая в данном случае базовая РЛС миллиметрового диапазона, и он также применим и для терагерцового диапазона.
Бурное развитие микроэлектроники, особенно процессорной техники и цифровой элементной базы определило значительное изменение используемых методов обработки и приема радиосигналов. В настоящее время практически во всех современных радиотехнических и радиолокационных системах используются методы и способы цифровой обработки радиосигналов. В телекоммуникационных системах передачи информации в основном осуществляется передача информации в цифровом виде. С учетом этого в радиосистемах используются методы модуляции для передачи цифровых сообщений, что в свою очередь обуславливает необходимость построения специальных формирователей цифровых радиосигналов.
Сравнительный анализ и оценка состояния, уровня и перспектив развития методов и средств приема и обработки радиосигналов приведен в Приложении 3.4.
Ожидаемые результаты от применения новых методов обработки радиосигналов и прогнозируемый эффект. Использование новых современных цифровых методов формирования для передачи и обработки радиосигналов позволяет, как показывает практика и теоретические оценки повысить на порядок пропускную способность радиолиний, увеличить помехозащищенность на 10-20 Дб, значительно улучшить надежность аппаратуры.
Так при использовании спектрально-эффективных методов модуляции в несколько раз повышается эффективное использование частотного ресурса. Например, при использовании 16-ипозиционной амплитудно-фазовой модуляции, по сравнению с обычной фазовой манипуляцией, вместо 1-го бита информации в той же полосе частот передается уже 4 бита информации. Повышение эффективности использования спектра позволяет улучшить электромагнитную совместимость систем радиосвязи, обеспечить их дополнительную помехозащищенность за счет кодирования.
Использование адаптивных методов передачи и приема информации позволяет обеспечить действие систем военной радиосвязи в условиях интенсивного помехового воздействия противника. Развитие современных методов адаптивного приема и передачи радиосигналов обеспечивает максимальное использование всех ресурсов системы радиосвязи (частотного, энергетического и т.д.). Такие системы являются разведпомехозащищенными за счет направленности излучения и подстройки под электромагнитную обстановку.
Все разработки в данных направления являются, безусловно, актуальными для систем радиосвязи общегражданского назначения. Учитывая загруженность частотного диапазона, сложную электромагнитную обстановку, особенно в городских условиях, использование цифровых адаптивных методов передачи и приема информации является единственным выходом из сложившейся ситуации.
Научный потенциал в ведущих вузах и научных институтах в настоящее время активно занимается научными исследованиями в этих направлениях, однако средний возраст исследователей достаточно высок. Это определяется, безусловно, недостаточным финансированием, а также высокой ценой зарубежного оборудования и программного обеспечения необходимого для моделирования и проектирования цифровых устройств формирования и обработки радиосигналов. Для установления паритета в научных разработках по этому направлению необходимо производить дополнительные финансовые вложения в развитие современной материальной базы предприятий.
