CC BY
0РАДИОЛОКАЦИЯ
DOI: 10.17725/rensit2022.14.119
Алгоритмы обработки радиолокационной информации в специализированной системе автоматизированного проектирования
Конопелькин М. Ю., Петров С. В., Смирнягина Д. А.
Концерн воздушно-космической обороны "Алмаз-Антей", http://www.almaz-antey.ru/ Москва 121471, Российская Федерация
E-mail: [email protected], [email protected],[email protected] Поступила 20.05.2022,рецензирована 27.05.2022, принята 03.06.2022 Представлена действительным членом РАЕН А.А. Потаповым
Аннотация: Дано краткое описание программных модулей системы автоматизированного проектирования (САПР) радиолокационных станций (РАС), радиолокационных комплексов и систем. Показаны возможности среды инженерных расчетов и моделирования, которая позволяет задать сценарий помехо-целевой обстановки и провести полное, приближенное к реальности, моделирование поведения РАС. Визуальный функциональный редактор обеспечивает возможность создания имитационной модели РАС в виде графа потоковых вычислений из параметризуемых блоков, соединенных между собой. Библиотека параметризуемых блоков моделирования содержит блоки моделирования, предназначенные для расчетов и моделирования структурных и функциональных частей разрабатываемых радиолокационных станций, комплексов, систем. Разработана имитационная модель активной однопозиционной импульсно-доплеровской РАС секторного обзора с электронным сканированием лучом. В модели реализованы следующие алгоритмы: алгоритм суммарно-разностной моноимпульсной пеленгации, алгоритм пеленгации со сверхразрешением, проекционный алгоритм адаптивной пространственной фильтрации. Проведен имитационный эксперимент с разработанной моделью РАС в трех сценариях помехо-целевой обстановки, отличающихся наличием мешающих сигналов. Анализ результатов имитационного эксперимента показывает, что результаты работы реализованных алгоритмов соответствуют теоретическому прогнозу. Продемонстрированные в настоящей работе возможности САПР РАС могут быть использованы специалистами в области радиолокации и обработки сигналов.
Ключевые слова: радиолокационная станция, система автоматизированного проектирования, имитационное моделирование, алгоритм обработки радиолокационной информации
УДК 004.94
Для цитирования: Конопелькин М.Ю., Петров С.В., Смирнягина Д.А. Алгоритмы обработки радиолокационной информации в специализированной системе автоматизированного проектирования. РЭНСИТ: Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии, 2022, 14(2):119-126. DOI: 10.17725/rensit.2022.14.119._
Radar Information Processing Algorithms in a Specialized Computer-Aided Design System
Maxim Yu. Konopel'kin, Sergey V. Petrov, Daria A. Smirnyagina
"Almaz-Antey" Air and Space Defence Corporation, http://www.almaz-antey.ru/ Moscow 121471, Russian Federation
E-mail: [email protected], [email protected],[email protected] Received May 20, 2022, peer-reviewed May 27, 2022, accepted June 3, 2022
КОНОПЕЛЬКИН М.Ю., ПЕТРОВ С.В., СМИРНЯГИНА Д.А.
РАДИОЛОКАЦИЯ
Abstract: A brief description of the radar CAD software modules responsible for this functionality is given. The module of engineering calculations and simulations allows you to set the scenario of the interference-target situation and conduct a complete, close to reality, simulation of the behavior of the radar in combat conditions. The visual functional editor provides the ability to create a radar simulation model in the form of a graph of streaming calculations from interconnected parameterizable blocks. The library of parameterizable modeling blocks contains modeling blocks designed for calculations and modeling of structural and functional parts of developed radar stations, complexes, systems. Simulation model of an active single-position pulse-Doppler sector-observation radar with electronic beam scanning was created. The following algorithms are implemented in the model: the sum-difference monopulse direction finding algorithm, the MUSIC superresolution direction finding algorithm, and the projection adaptive spatial filtering algorithm. A simulation experiment was carried out with a radar model in three scenarios of an interference-target environment, which differ in the presence of interfering signals. Analysis of the results of the simulation experiment shows that the operation of the algorithms corresponds to the theoretical prediction. The abilities of radar CAD presented in this article can be used by specialists in radar and signal processing.
Keywords: radar station, computer-aided design system, simulation modeling, radar data processing
algorithm
UDC 004.94
For citation: Maxim Yu. Konopel'kin, Sergey V. Petrov, Daria A. Smimyagina. Radar Information Processing Algorithms in a Specialized Computer-Aided Design System. RENSIT: Radioelectronics. Nanosystems. Information technologies, 2022, 14(2):119-126e. DOI: 10.17725/rensit.2022.14.119._
Содержание
1. Введение (120)
2. Инструментарий САПР РАС (121)
2.1. Среда инженерных расчетов и моделирования (121)
2.2. Визуальный функциональный редактор (122)
2.3. Библиотека параметризуемых блоков моделирования (123)
2.4. Имитационная модель РлС (123)
3. Имитационный эксперимент (123) 3.1. Параметры имитационной модели РлС (123)
4. Алгоритмы имитационной модели РлС (123)
4.1. Алгоритм моноимпульсной пеленгации (124)
4.2. Алгоритм пеленгации источников стохастических сигналов (124)
4.3. Алгоритм адаптивной пространственной фильтрации (124)
5. Сценарий имитационного моделирования (124)
5.1. Результаты имитационного моделирования (124)
6. Заключение (126) литература (126)
1. ВВЕДЕНИЕ
Подавляющее большинство задач оценки эффективности применения различных средств в системе воздушно-космической обороны являются комплексными и не могут быть сведены к простой арифметической сумме слабо увязанных между собой математических моделей и задач по расчету отдельных показателей. Современный уровень развития вычислительной техники и математических методов исследования сложных систем создает объективные предпосылки к системной концепции проектирования сложных технических систем, которая требует внесения принципиальных изменений в методологию их создания и развития. Системный подход предполагает создание эффективных комплексов частных математических моделей подсистем, в совокупности описывающих поведение всей системы, и расчетных задач, функционирующих в составе систем моделирования и проектирования на единой информационной базе [1,2].
Система автоматизированного
проектирования (САПР) радиолокационных станций (РЛС), радиолокационных комплексов и радиолокационных систем, а также их компонентов, является примером реализации
РАДИОЛОКАЦИЯ
системной концепции [3-10]. Системность проведения расчетов в САПР РЛС предполагает:
• единую методологию подготовки и представления исходных данных, а также проведения расчетов и представления результатов;
• равную степень детализации для каждой частной задачи (модели), решаемой пользователями одного уровня;
• определенную логическую последовательность проведения расчетов в каждой частной задаче и в их совокупности;
• получение как промежуточных, так и конечных результатов по каждой расчетной задаче в форме, удобной для применения их в других задачах без дополнительной обработки и преобразования;
• возможность автономного проведения расчетов по каждой расчетной задаче, математической модели и использования промежуточных и конечных результатов в других задачах.
Системный подход, реализуемый в САПР РЛС, предусматривает единство информационного, математического,
лингвистического, программного и
организационного обеспечения.
С позиций системного подхода наиболее приспособленными для оценки эффективности сложных систем являются модели имитационного типа. Поэтому в составе САПР РЛС разработаны имитационные модели функционирования РЛС, которые, в отличие от многих существующих в настоящее время математических моделей РЛС позволяют детально моделировать процессы первичной и вторичной обработки различных видов сигналов, отраженных от воздушных, баллистических и космических объектов в полном поляризационном базисе.
Настоящая статья посвящена обзору и демонстрации возможностей отечественной САПР РЛС в части разработки и моделирования алгоритмов обработки радиолокационной информации, создания имитационных моделей и проведения имитационных экспериментов. В статье затрагиваются следующие вопросы:
• описан инструментарий САПР РЛС, включая среду инженерных расчетов и моделирования, визуальный функциональный редактор
и библиотеку параметризуемых блоков моделирования;
• изложены принципы построения имитационных моделей РЛС;
• описана тестовая имитационная модель РЛС и ее алгоритмы;
• проведен имитационный эксперимент, изложены его результаты.
2. ИНСТРУМЕНТАРИЙ САПР РЛС 2.1. Среда инженерных расчетов и
МОДЕЛИРОВАНИЯ
Одной из ключевых особенностей разработанной САПР является возможность не только автоматизации процесса разработки РЛС, но и достаточно широкого и объемлющего моделирования поведения РЛС в боевых условиях. В частности, при проектировании инженеру предоставляется возможность задать сценарий. При отправке сценария на расчет производится полное, приближенное к реальности, моделирование поведения РЛС в боевых условиях. Производится имитация налета на РЛС, включающая в себя моделирование движения различных воздушных целей. При этом на основе построенной модели РЛС моделируется работа антенны РЛС, которая сканирует пространство. При взаимодействии электромагнитной волны, пришедшей от луча антенны локатора, и воздушной цели производится моделирование отражения электромагнитной волны от данной цели, на основе чего рассчитывается сигнал, пришедший в приемный канал локатора, где, далее, моделируется его обработка. На пришедший сигнал накладываются шумы, возникающие, в том числе, за счет отражения от поверхности Земли. Также при моделировании прохождения луча через атмосферу учитываются различного рода осадки.
Интерфейс среды инженерных расчетов и моделирования, реализующей указанные возможности, показан на Рис. 1.
Во время проведения имитационного моделирования производится запись файла протокола имитационного эксперимента, содержащего информацию о положении всех РЛС и воздушных целей, представленных в сценарии, и результатах работы РЛС. В
КОНОПЕЛЬКИН М.Ю., ПЕТРОВ С.В., СМИРНЯГИНА Д.А.
РАДИОЛОКАЦИЯ
I Владикавказ " Махачкала
Рис. 1. Интерфейс среды инженерных расчетов и моделирования.
результате обработки файла протокола имитационного моделирования в модуле оценки эффективности вычисляются показатели качества радиолокационной информации, получаемой с РАС.
2.2. Визуальный функциональный редактор
В САПР РАС для создания имитационных моделей используется подход, известный под названием "программирование потоков данных" [11]. Популярными представителями программных средств, использующих этот подход, являются Simulink и LabView.
Пользователь с помощью визуального конструктора составляет граф вычислений из блоков, конфигурирует параметры каждого блока и соединения между ними. По нажатию
кнопки запуска вычисления, происходит обход графа и вычисление выходных данных каждого блока на основе входных данных и параметров блока.
Преимущества данной парадигмы — естественное визуальное представление (в виде графа вычислений) и поддержка параллелизма.
В рамках САПР РАС разработан визуальный функциональный редактор, обеспечивающий возможность создания и расчета графа потоковых вычислений. Графический интерфейс пользователя представляет собой классический Simulink-подобный интерфейс для визуального проектирования потоковой обработки данных, состоящий из параметризуемых блоков, соединенных между собой (Рис. 2).
Рис. 2. Типичная схема модели РЛС.
РАДИОЛОКАЦИЯ
2.3. Библиотека параметризуемых блоков моделирования
При моделировании РЛС можно выделить два уровня абстракции: нижний, то есть моделирование конкретных модулей и узлов (генераторов, антенн, алгоритмических блоков и т.д.) и верхний, то есть модель системы в целом. При этом, если соблюдается принцип модульности, то один и тот же набор компонентов может быть использован для моделирования самых разных типов и конфигураций РЛС.
Кроме того, если программный код, отвечающий за внутреннюю работу отдельных модулей, вынесен в отдельную хорошо отлаженную и документированную библиотеку, то и разработка верхнего уровня абстракции может резко упроститься: разработчику конкретной имитационной модели нужно будет значительно меньше вдаваться в детали математически сложных алгоритмов обработки сигнала внутри отдельных модулей.
Для этого в состав функционального редактора входит библиотека параметризуемых блоков моделирования, предназначенных для расчетов и моделирования структурных и функциональных частей разрабатываемых радиолокационных станций, комплексов, систем. В состав библиотеки входит базовый набор блоков, позволяющий сформировать модель РЛС.
2.4. Имитационная модель РЛС
Центральным звеном при имитационном моделировании выступает имитационная модель РЛС. Имитационная модель РЛС в САПР РЛС представляется в виде набора функциональных блоков. Типичная модель РЛС состоит из следующих функциональных блоков:
формирователь зондирующих сигналов; передатчик; передающая антенна; приемная антенна; формирователь лучей; приемник;
блок цифровой обработки сигналов; блок первичной обработки информации; блок вторичной обработки информации; блок управления режимами работы.
Как можно видеть, принятое разбиение модели на блоки соответствует классической
функциональной схеме РЛС, известной из литературы [12]. В то же время открытая архитектура САПР РЛС не накладывает ограничений на пользователя — состав блоков в модели может быть произвольным. Новые блоки, обладающие необходимым пользователю функционалом, могут разрабатываться на языках программирования Python, MATLAB и C++.
3. ИМИТАЦИОННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ 3.1. параметры имиТАционной модели рлС
Для демонстрации возможностей САПР РЛС в части разработки и моделирования алгоритмов обработки радиолокационной информации создана имитационная модель РЛС обзора воздушного пространства с типичным для этого класса набором параметров [12].
Тип РЛС — активная, однопозиционная, секторного обзора с электронным сканированием лучом.
Параметры сигнала: тип сигнала — ЛЧМ; несущая частота = 1.2 ГГц; полоса сигнала = 1 МГц; длительность импульса = 200 мкс; период следования импульсов = 2 мс; импульсная мощность = 20 кВт. Параметры антенны:
тип антенны — цифровая антенная решетка (ЦАР);
размер в элементах = 12х16; шаг элементов = 0.5 длины волны; коэффициент усиления = 28 дБ; сектор сканирования по азимуту = -45° — 45°; сектор сканирования по углу места = 0° — 30°; наклон антенны к горизонту = 15°.
4. АЛГОРИТМЫ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕАИ РАС
В имитационной модели РЛС реализована типичная схема формирования и обработки сигнала для импульсно-доплеровской РЛС, которая выглядит следующим образом:
• формирование зондирующего ЛЧМ сигнала;
• расчет фазового распределения для формирования лучей на передачу и прием;
• фильтрация принятого сигнала по дальности с помощью согласованного фильтра;
КОНОПЕЛЬКИН М.Ю., ПЕТРОВ С.В., СМИРНЯГИНА Д.А.
РАДИОЛОКАЦИЯ
• преобразование Фурье по медленному времени с получением матрицы дальность-скорость;
• бинаризация матрицы дальность-скорость с помощью обнаружителя с постоянным уровнем ложной тревоги;
• поиск связных областей бинарной матрицы дальность-скорость;
• размножение связных областей на другие дальности и скорости для конкретной пачки импульсов;
• поиск пересечений между размноженными связными областями, полученными от разных пачек;
• для тех областей, которые пересекаются с достаточным числом областей от других пачек (например, в случае пересечения областей от трех разных пачек импульсов) производится усреднение показателей и выдача отметки о цели.
Кроме того, в модели РЛС реализован пассивный канал, реализующий обработку стохастических сигналов от внешних источников. При этом используются обучающие данные с цифровой антенной решетки длиной К = 384 временных отсчетов.
Для иллюстрации возможностей САПР РЛС реализованы и промоделированы следующие алгоритмы.
4.1. Алгоритм моноимпульсной пеленгации
В модели реализован алгоритм суммарно-разностной пеленгации [13], в котором поправки угловых координат цели в обобщенной биконической системе координат рассчитываются по формулам:
Au = u - uo = -Yu Re
Av = v - v0 =-yv Re
( WHX ^
v W H X J fW X л
v J
где и, V — оценка угловых координат цели, и, V — угловые координаты максимума суммарного луча, у ут — коэффициенты наклона пеленгационной характеристики (определяются геометрией решетки), W — весовой вектор для формирования суммарного луча, Wu — весовой вектор для формирования разностного луча по азимуту, Wт — весовой
вектор для формирования разностного луча по углу места, X — вектор сигналов с антенной решетки, (^)H — символ эрмитовой сопряженности. Знаменатель дробей в правой части равенств представляет сигнал на выходе суммарного луча, числитель — сигнал на выходе разностного луча (соответственно азимутального или угломестного).
4.2. Алгоритм пеленгации источников стохастических сигналов
Для пеленгации источников стохастических сигналов реализован алгоритм MUSIC (Multiple Signal Classification), использующий расчет
пространственного спектра по формуле [14] Q
M VH р V
n
где Pn — матрица проецирования на шумовое подпространство выборочной оценки пространственной ковариационной матрицы
R = кXX ' V — вектор-гипотеза амплитудно-фазового распределения в раскрыве антенны для заданного углового направления.
4.3. Алгоритм адаптивной пространственной фильтрации
В модели реализован проекционный алгоритм расчета адаптивного весового вектора по формуле [14]
Wa = PnS,
где S — управляющий вектор.
Все вышеперечисленные алгоритмы реализованы в блоках модели РЛС на языке Python с использованием модулей NumPy и SciPy.
5. СЦЕНАРИЙ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Модель РЛС размещалась в районе г. Санкт-Петербурга. Были заданы две разнесенные по азимуту аэродинамические цели (Рис. 3) с возможностью установки на них источников стохастических сигналов. В части их наличия моделировались три сценария:
1) нет источников стохастических сигналов;
2) один источник стохастических сигналов;
3) два источника стохастических сигналов.
РАДИОЛОКАЦИЯ
УГГ
Выборг
) data
Санкт-Пе гербу
Петергоф о 0 /
'Пушки
о
Нарва* Гатчина
Рис. 3. Положение РЛС и целей.
5.1. Результаты имитационного
МОДЕЛИРОВАНИЯ
5.1.1. Алгоритм моноимпульсной пеленгации
Для проверки работы алгоритма
моноимпульсной пеленгации использовался первый сценарий. Результаты работы локатора по первой цели приведены на Рис. 4. На рисунке показан индикатор «азимут-угол места», желтая окружность — приемный луч по уровню 3 дБ, голубая точка — истинное положение цели, красные точки — оценки угловых координат цели. Как можно видеть, реализованный алгоритм моноимпульсной пеленгации корректно уточняет угловые координаты цели.
5.1.2. Алгоритм пеленгации источников стохастических сигналов
Для проверки работы алгоритма пеленгации источников стохастических сигналов
использовался сценарий 3. В этом сценарии запеленгованы два источника стохастических сигналов. Пространственный спектр в обобщенной биконической системе координат (горизонтальная ось — азимут, вертикальная — угол места), построенный по результатам работы алгоритма MUSIC, показан на Рис. 5. Оценки угловых координат источников стохастических сигналов в сферической системе координат следующие:
Пеленгационный рельеф
Рис. 5. Пространственный спектр MUSIC в,
• 1-й источник — (1.3°; 0.3°), истинное положение — (1.8°; -0.2°);
• 2-й источник — (27.5°; 0.3°), истинное положение — (27.2°; -0.2°).
Как можно видеть, оценки совпадают с истинным положением источников с точностью до долей градуса. При использовании при построении пространственного спектра сетки углов с меньшим дискретом возможно повышение точности оценки. 5.1.3. Алгоритм адаптивной пространственной фильтрации Для проверки работы алгоритма адаптивной пространственной фильтрации использовался сценарий 2. При наличии одного источника мешающего сигнала, размещенного на правой цели, была обнаружена центральная цель, по ней были выданы отметки (желтые маркеры на Рис. 6, голубые маркеры — истинное положение целей). Цель с источником мешающего сигнала обнаружена не была, т.к. алгоритм АПФ не может подавить мешающий сигнал, угловое направление на который совпадает с направлением на полезный.
Зона оозора: азимут/ угол i*
Рис. 4. Индикатор
места.
Рис. 6. Индикаторы "азимут-угол места" и "дальность-высота" в сценарии 2.
КОНОПЕЛЬКИН М.Ю., ПЕТРОВ С.В., СМИРНЯГИНА Д.А.
РАДИОЛОКАЦИЯ
6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В отечественной САПР РЛС имеются богатые возможности по разработке моделей функционирования РЛС, позволяющие детально моделировать процессы обработки различных видов сигналов. Для этого используется визуальный функциональный редактор, в котором модель РЛС собирается из набора блоков. Среда инженерных расчетов и моделирования позволяет разместить созданную модель РЛС на местности и задать сценарий налета. Для демонстрации этих возможностей была создана модель РЛС секторного обзора с электронным сканированием лучом, в которой реализован пассивный канал, реализующий обработку стохастических сигналов от внешних источников. Реализованы и промоделированы в трех сценариях фоно-целевой обстановки следующие алгоритмы: алгоритм
моноимпульсной пеленгации, алгоритм пеленгации источников стохастических сигналов, алгоритм адаптивной пространственной фильтрации. Результаты работы алгоритмов соответствуют теоретическому прогнозу.
ЛИТЕРАТУРА
1. Конторов ДС, Голубев-Новожилов ЮС. Введение в радиолокационную системотехнику. М., Сов. радио, 1971, 366 с.
2. Петухов ГБ, Якунин ВИ. Методологические основы внешнего проектирования целенаправленных процессов и целеустремленных систем. М., АСТ, 2006, 504 с.
3. Созинов ПА, Коновальчик АП. Основные подходы к разработке отечественной системы автоматизированного проектирования радиолокационных станций и текущие результаты. Радиоэлектронная борьба, 2020, 1(1):62-74.
4. Созинов ПА, Коновальчик АП, Саушкин ВП. Актуальные вопросы создания отечественной САПР для проектирования РЛС. Вестник воздушно-космической обороны, 2019, 3(23):106-119.
5. Коновальчик АП, Конопелькин МЮ, Плаксенко ОА, Щирый АО. Постановка задачи разработки и предварительная архитектура отечественной САПР РЛС полного сквозного цикла. Новые информационные технологии в автоматизированных системах, 2017, 20:127-130.
6. Коновальчик АП, Плаксенко ОА, Щирый АО. Концепция многоуровневого проектирования РЛС в разрабатываемой САПР РЛС полного
сквозного цикла. Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения, 2017, 17(4):889-892.
7. Коновальчик АП, Конопелькин МЮ, Плаксенко ОА, Щирый АО. Отечественная система автоматизированного проектирования радиолокационных систем, комплексов и станций с учетом средств воздушно-космического нападения. Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли, 2018, 10(1):40-47.
8. Коновальчик АП, Плаксенко ОА, Щирый АО. Функции имитации боевых действий в разрабатываемой отечественной САПР РЛС полного сквозного цикла. Вопросырадиоэлектроники, 2018, 3:30-34.
9. Коновальчик АП, Плаксенко ОА, Щирый АО. Реализация имитационного моделирования в разрабатываемой отечественной САПР РЛС полного сквозного цикла. Новые информационные технологии в автоматизированных системах, 2018, 21:290-293.
10. Коновальчик АП, Плаксенко ОА, Щирый АО. Обоснование облика перспективных радиолокационных станций посредством разрабатываемой отечественной системы автоматизированного проектирования. Наукоемкие технологии в космических исследованиях Зкмли, 2019, 11(1):4-11.
11. Van-Roy P, Haridi S. Concepts, Techniques, and Models of Computer Programming. The MIT Press, Cambridge, Massachusets, London, England, 2004, 900 p.
12. Сколник МИ (ред.). Справочник по радиолокации. Книга 1. М., Техносфера, 2014, 672 с.
13. Ратынский МВ, Порсев ВИ. Моноимпульсная пеленгация в РЛС с цифровыми ФАР. М., Радиотехника, 2019, 160 с.
14. Van Trees HL. Optimum array processing: Part IV of detection, estimation and modulation theory. NY, John Wiley & Sons, Inc., 2002, 1472 p. DOI: 10.1002/0471221104.
Конопелькин Максим ^Юрьевич
начальник отдела
Концерн ВКО "Алмаз-Антей"
41, ул. Верейская, Москва 121471, Россия
E-mail: [email protected]
Петров Сергей Викторович
к.т.н.
Концерн ВКО "Алмаз-Антей" 41, ул. Верейская, Москва 121471, Россия E-mail: [email protected] Смирнягина Дарья Алексеевна
техник
Концерн ВКО "Алмаз-Антей"
41, ул. Верейская, Москва 121471, Россия
E-mail: [email protected].
