Многоканальный алгоритм обнаружения интенсивно маневрирующих воздушных целей для импульсно-доплеровской бортовой радиолокационной станции, учитывающий априорную неопределённость частотной девиации сигнала Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 8 (2014 7) 911-918

УДК 621.396.96

The Intensive Maneuverable Air Targets Detection

Multichannel algorithm

for Pulse-Doppler Onboard Radar Using

the a Priori Uncertainty

of Signal Frequency Deviation

Igor V. Lyutikova*, Valeriy V. Zamaraevb, Alexander А. Kuchinb, Alexey N. Fomina, Nikolay P. Bogomolova and Vladimir A. Kopilova

aSiberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041, Russia bMilitary Academy of Aero-Space Defence named after the Marshal of Soviet Union G.K. Zhukov 50 Zhigareva, Tver, 170022, Russia

Received 14.09.2014, received in revised form 06.10.2014, accepted 24.11.2014

This article is devoted to describing the synthesis intensive maneuverable air targets detection algorithm for pulse-Doppler onboard radar that uses multiple correlative-filtration coherent process with frequent time-frequency grid, taking into account a priori uncertainties on the four parameters of the received signal (pulse duration, delay time, Doppler, frequency deviation), and uses the noncoherent processing based on likelihood ratio method for several recurrence frequency pulses that is, for all time exposure on a fixed phased antenna array directional diagram main beam azimuth-elevation angle position, using the results of observations during previous accumulation intervals to increase the correct detection conditional probability.

Keywords: detection algorithm, intensive maneuverable, pulse-doppler, onboard radar, signal frequency deviation

© Siberian Federal University. All rights reserved Corresponding author E-mail address: lyutikovigor@mail.ru

Многоканальный алгоритм обнаружения интенсивно маневрирующих воздушных целей

для импульсно-доплеровской бортовой радиолокационной станции, учитывающий априорную неопределённость частотной девиации сигнала

И.В. Лютиков3, В.В. Замараев6, А.А. Кучин6, А.Н. Фомин3, Н.П. Богомолов3, В.А. Копылов3

аСибирский федеральный университет Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79 бВоенная академия воздушно-космической обороны им. маршала Советского Союза Г. К. Жукова Россия, 170022, Тверь, ул. Жигарева, 50

Статья посвящена описанию синтеза алгоритма обнаружения интенсивно маневрирующих воздушных целей для импульсно-доплеровской бортовой радиолокационной станции (РЛС). Разработанный алгоритм использует как многоканальную корреляционно-фильтровую когерентную обработку с частой времячастотной сеткой, учитывающей априорную неопределенность по четырем параметрам принимаемого сигнала (по длительности импульсов, времени задержки, частоте Доплера, девиации частоты), так и некогерентную на основе метода отношения правдоподобия за несколько частот повторения зондирующих импульсов, а именно за всё время облучения цели на фиксированной азимутально-угломестной позиции главного луча диаграммы направленности фазированной антенной решетки. При этом алгоритм учитывает результаты наблюдений за время предыдущих интервалов н акопления в интересах увеличения условной вероятности правильного обнаружения воздушных целей.

Ключевые слова: алгоритм обнаружения, интенсивно маневрирующая, импульсно-доплеровская, бортовая радиолокационная станция, частотная девиация сигнала.

Как известно, для многофункционального истребителя задача по обнаружению воздушных целей (ВЦ), в том числе интенсивно маневрирующих, является первичной и весомо влияющей на исход предсзелщеговоздушноге боя[1]. Нгкзтяаозесущезтвующиевдйооозоциоаиайе импульсно-доплеровские бортооые радиолокационные станции (ИД БРЛС) обладают рядом недостатков, обусловленных следующими особенностями решения ими задачи обнаружения. Использование нескольких о = 1,2,...,N частот повторения зондирующих импульсов для устранения так называемых слепых зон, обусловленных бланкированием приемника на время излучения и для однозначного измерения дальности до ВЦ [2, 3], реализует согласованную обработку принимаемой пачки импульсов и принятие решения о её наличии или отсутствии за время каждого интервала её накопления (когерентного и (или) некогерентного). Объединение информации о результатах обработки сигналов за интервалы накопления на нескольких частотах повторения Р^о) при этом не производится. Это приводит к нерациональному рас- 91 Л —

ходу энергетического ресурса станции, к потере потенциальной возможности использования результатов обработки сигналов за всё время облучения цели (все интервалы накопления на различных частотах повторения). Из работы [4] известно, что для устранения указанных недостатков в теории синтезированы алгоритмы обнаружения ВЦ для ИД БРЛС, отличающиеся от существующих использованием многоканальной корреляционно-фильтровой обработки с частой во времячастотной области сеткой, учитывающей априорную неопределенность по трем параметрам (частоте Доплера, времени задержки и длительности принимаемых импульсов), а также некогерентной обработки на основе метода отношения правдоподобия за несколько частот повторения Р^"' зондирующих импульсов. Однако данныеалгоритмы не позволяют эффективно обнаруживать ВЦ, осуществляющие интенсивное маневрирование в условиях, при которых резко проявляются ракурсные зависимости как радиальной, так и тангенциальной составляющих вектора скорости ВЦ (при выполнении фигур высшего пилотажа, «зависания» её в воздухе, выполнения противоракетного манёвра, движения по касательной), особенно на малых дальностях.

По мере сближения истребителя с ВЦ, на которую он не наводится и находящейся на дальности Я, тангенциальная составляющая скорости растёт и, соответственно, увеличивается частотная девиация -еШ принимаемого на фиксированной длине волны X отраженного сигнала от ВЦ [5].

шс^-а- (I,

Л ЯХ ■

Это обстоятельство потребует увеличения размерности параметрического пространства и её учёта при создании дополнительной многоканальности путем введения в алгоритм обнаружения линейки ЛЧМ-фильтров, тем самым устраняя априорную неопределенность девиации частоты принимаемого сигнала и увеличивая степень согласованности его обруботки. Этот сигнальный признак можем быть использован в алгоритмах сопровождения и наведения для оценки угловой скорости линии визирования (по координатной информации измерений 'частотной девиации).

В [6-12] представлены различные варианты построения обнаружителей! сионалов, отражённых от маневрирующих воздушных целей, показаны ах недостатки и достоинства.

Учитывая указанные недостатки существующих однопозиционных ИД БРЛС по обнаружению интенсивно мане вриру ющих целей, предлагается аналогично [4] использовать многоканальную корреляционно-фильтровую обработку с частой времячастотной сеткой, но учитывающей априорную неопределенность еже по четырем параметрам (частоте Доплера, девиации частоты, времени задержки, длительности принимаемы х импульсов), а также некогерентную обработку на основе метода отношения правдоподобия за несколько частот повторение -П"' зондирующих импульсов (т.е. за всё время облу чения цели, используя при этом результаты наблюдений зи время предыдущих интервалов накопления). Решить данную задачу позволит разрабатываемый алгоритм.

Цель работы - описание синтеза алгоритма обнаружения интенсивно маневрирующих воздушных целей для ИД БРЛС, устраняющего априорную неопределенность по времени задержки, длительности, частоте Доплера, девиации частоты принимаемого сигнала.

Синтез алгоритма осуществле н в такой последовательности:

1. Определение максимального значения отношения правдоподобия по информации с выходов частотно-временных каналов ИД БРЛС, вычисление решающей статистики О (Х ^Л-).

2. Получение закона распределения решающей статистики /(ХЛ).

3. Определение критической области критерия отношения правдоподобия по распределению решающей стапестики /(Х£>С) ллутем наиаждения значения! порога 'УОН, обеспечивающего заданную условную вероятность ошибки п(3]ево]го рода - уловную вероятность ложно й тревоге Рлт.

Кек иееестно [133], под обнаружениом понимают процтос принятия решения о нхзелии или отсетствии цели в раорошаемом обВъ^етвпг ;сг1 время наблюдения с требуемым качеством. Отраженный от интенсивна мантврирующей ВЦ квазинепрерывнллй сигтил нс входа приемника ИД БРЛС в режиме пысоиой частоты покторания (ВЧП) представляет собой млогоаерлую величшгу в пространстве квоих параметров: угол места е, азимео в, наблюдаемое время задержки ВО"1 в пределах одного о-го периода односвачноео измерения дальности, длителзность принимаемых импульипв (¡.с, частвтл Доплера Тд девиация честоты ^НГгз.и, таким тбразом, на фиксированном за время наблюдения азимутально-угломестном положении главного луча диаграммы напревленности (ДН) ФАР является плчкой из Мс линейно-частотно модулиро-еенных импульсав с па]нметром |с = 227уД/- /юСе, длительнолть иТ1 которых на ос! частоте ТС" повторения представляет собой кусочно-заданную функцию от наблюдаемого времени за-делжки т^ЧоКаТ (2)1.

0,ОК(>) = 0 __ пии _ оК)- = Т(п)

0,0 с оВе < т7п)

т(») _ 1 и _

бл

и (n) _ _(») _(») _ _(n) о (я) ..(») , (м) кзн 1бл J ьбл ьн ^ 'зн — ьбл ьн

и() < )(м)

(2)

В виду отсутствия априорной информации о местоположении и скорости ВЦ объективно существует неопределенность этих параметров. Вид ограниченной области двумерной функции неопределенности (функции расрогласованин) от рассогласования по времени и часвоте при условиях, что девиа ция частоты Ду = 0и Д/Д ^ 0, пока зан н а ри а. 1 и 2 соот ветственно.

Для устранения неопределенности ожидаемых пар>аметров принимаемогосигнала итем самым увеличения степени согласованноити его обработки предлагается в обнаружителе ИД БРЛС «нарезать» сетку по этой облаети пространства с зеданныши шагами по каждому из параметров: Де, Д|Н, Т)Не ДгНД, е(ме Д/Д- Таким абраком, реект]рс5]йс:тЕ$о, реализующуе согласованною обработку сигнала, должно рызта многоканалнныым по крждому из его парбметрог.

При опрнделении гнрх^л^и^-па принятия решения об обнаражении испольтуем схему обнаружителя длят ИД БРЛС, итображенную на рис. 3(

На фиааированной уаломестной ел и азимутальной (2 позиции главного лз'ча приемной диа-г'рэануи^ы.i направленности (ДН) фезщзованной антенной рашетки (ФАР) на каждом м-м интервале накопления (при фиксированной частоте Fpn) повтаргнуя) i-ia вход обнарыжителя на промежуточной частоте поступает аддитивная смесь еУТН бТ) «<сигнал+щум»>.

На рис. 4 в зоне однозначурго измьаениу далрлости исображено положение огибающей принимаемлтх импульсов еКУРа) (широкой ппнктирнлй линjeksii пеказуна огибающая бланки- 914 -

Рис. 1. Главный пик функции рассогласования пачки радиоимпульсов при А/Д = 0

Рис. 2. Главный пик (функции рассогласования пачки ЛЧМ-радиоимпульсов при А/Д Ф 0

рованной части, широкой сплошной! линией! - огибающая небланкированной части импульса) и стробирующих импульсов Bi(t), B2((),. • • B:(i) временных^ каналов (обозначены узкой сплошной линией в пределах «зоны прозрачности») относительно «слепой зоны» (заштрихованная об-лас ть) на каждой частоте е повторения. Количество врименных каналов I — НЛ/ДТ — 1, где Пп — период повторения, АТь — шзг с еткп по времени (для упрощения шаг АТр должен быть кратен периоду Тп). Для примерн: значение ATS = ти/2,1 — 4, n = 1,2,3,4, дальность до ВЦ ДВЦ — const, скважность Qи = 2.5. Работа схемы на этапе кор.еля^онно-фильтровой обработки (до выходов цифровых процессоров быстрого преобразованин Фурье (БПФ) за время t]n} когерентного накопления) является классической.

Пусть в каждом разрешаемом объеме {вД^/Цц} на каждом n-м интервале когерентного накопления за время амплитуды Y/On« компонентов БПФ на выходе цифрового процессора БПФ в i-м канале дальности в /-м канале частотной девиации на К-й частоте на фиксированной

- pit-

лдп Ц-ФД Ф1С

B,Ci> C.i СГ— "-I

■5lLi| :■• l'.| III....... I -..il-.. I

ШГУЛЬОЛ Ьр*Л1М[1СоЛ КЬНШС -4—|

.. 1 ^iumh iHiannfl иыщо] : i:i лп ч ? * I ■ cs: :jcf I i.^ui и I J-L М1СП «СТОПА MlFUUtl

Шфрлцпр

■ l|"4 r'TV^

Ы[Ф J.1CXU

Устройство

H0|HIH|J06KH 1Ш11и[ПМ 0ПГПЦ ]hT]4J

rTirf lL к UnMi^ii к :iH:in.i ]_t ■Ц1СТОГК-ОЙ J'.P I IMLil HI. t<\l£|> П> I ! 1С' I ¿"l Г.П "Ф

С M.il-. L II >■ ■ I к 141 • 1:1 .1 h 13 Л111 ПЛ Л1 ■ l" I

Fii = ты Г® --max (max Y^J

I

JXHSll^,,,

I ' '

с

Лоно: in СДЛфЖШЕ отчего« КПФ нл спотпестнутенщк

хчемеиггоп г.«сма.. апъныс аыплнгглш ИХ чпстотли

v<nl Сиж^рд^лмла!- няп: ^ 2 r,(n; UrTlt

f lL I"

i^mm:

U

Т<М1_ v 'I ДО La; ¿j i

п-1

-j-(.H.I

Поролись

Рис. 3. Схема обнаружителя для ИД БРЛС

угломестной е и азимутальной (3 позиции распределены по закону Рэлея-Райса и имеют плотность распределения:

Y

(n) sp/Вц

' фАц

exp

1

2a

sp/кц

Y s^ + a

2

sp/кц

10

на Y(n) ^

a фЛИбрАц

' spЛц

(3)

В каждом разрешаемом объеме {е,Р,/',£,(} ИД БРЛС на каждом п-м интервале когерентного накопления необходимо проверить гипотезу Н0 : аЕ№1 = 0 против альтернативы Н1 : аЕрК(1 ^ 0. Используем для это го ме тод отношения правдоподо бия (ОП) (МОП) [14]. Учитывая, ооо безусловныш максимум оо парамет ру а,^ функ1оиб правдоподобия слугпйныо вебичпн Гф; - амплитуд компонентов БПФ после операций!: 1) нормирования по шумам; 2) операции поиска номера д' канала частотной девиации, содержащего компонент БПФ с максимальной (по параметре девиации ( и чаототному К) амплитудой ^Ф1(ч) = ттх РООН) = тох(ттх гЦриц(Я)Х 3) операции поиска (по вчемени) элементов вектора, содержащего максимальныые амолитудыя компонентов БПФ на соответствующих частотах по п равялб е^Н I = ттх У ббя п (Н), ^ос-пее превышения нее которого значен ия монотонно убывает незначитеяьно, знаменатель ОП в каждом разрешаемом объеме за время нескольких Ж-иниероолов но герентного накочиеоия можно зоменить конвтантой и окончательно ОП запишетоя тяо:

(X ) _ И=1

ПР &р*кр* = о)

N

np(Y$hepk = о)

n=1_|_

CN

l(N ) _

'Ш = IV |

Птах p(Y$Kpk *0)

n=1aept 1

(4)

Проведя некоторые преобразования с замено й переменной! и прологарифмировав ОП, имеем:

Рис. 4. Взаимное положение временных каналов и огибающих принимаемых импульсов в пачке на каждой частоте ipO' повторения относительно «слепой» зоны (зоны Планкирования) и зоны «прозрачности»

lnO = -Z$-1ta(C), (5)

n = l т = 1

По известным правилам теории внрояттюсаи [Н5] наПдем плотннств роспределения СВ Z ^ОО оа N-интервалов когерентного накопления:

n = 1 n = 1 2 (N5—1)!

Значение порога обеспечивающего заданный уровень вероятности ложной тревоги Рлт, определяется из формулы

+со ) Т

При ]Р1[т = BIO-6 и значении Ч = 4). порог- Ол(т4) = 21.3505.

Тским о^рмма о^ссмпн:, теперь выбпрочное пространство W слоучайной ве1икм ны Z° разделено соответствующим порогом Ол(т4) на две области: 1) со - критическая область; 2) (Р- св - мбласть принятия. Если наблюдаемая выборочная точка Z^ 2о Ол(т4Н то она попадает в область со и гипотеза, мы проверяли Я0, отверлается; если жа ZO> < ^i.», то она попадает в область W - ю и гипотеза H0 принимается.

Решапощн Пункция .4* для разработанного -лгоритма имеет вид

п Ло^О^ HZ ] Н лк

- 91-7 -

Выводы

Таким образом, синтезирован алгоритм обнаружения интенсивно маневрирующих ВЦ для ИД БРЛС на основе метода отношения правдоподобия за несколько N интервалов когерентного накопления, устраняющего априорную неопределенность по времени задержки, длительности импульсов, частоте Доплера и девиации частоты. Предполагается, что применение разработанного алгоритма приведет к существенному увеличению условной вероятности правильного обнаружения интенсивно маневрирующих ВЦ, что в дальнейшем требует подтверждения результатами имитационного моделирования с использованием метода Монте-Карло.

Список литературы

[1] Канащенков А.И. и др. Облик перспективных бортовых радиолокационных систем. Возможности и ограничения. М.: ИПРЖР, 2002.

[2] Дудник П.И., Ильчук А.Р., Татарский Б.Г. Многофункциональные радиолокационные системы: учеб. пособие для вузов / ред. Б.Г. Татарский. М.: Дрофа, 2007. 283 с.

[3] Черных М.М., Богданов А.В., Буров А.С. и др. // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 1999. № 4. С. 1626.

[4] Лютиков И.В., Замараев В.В. // Радиотехника (журнал в журнале). 2008. № 10.

[5] Замараев В.В., Кучин А.А., Лютиков И.В. // Успехи современной радиоэлектроники. 2012. № 9.

[6] Фарина А., Студер Ф. Цифровая обработка радиолокационной информации. Сопровождение целей. М.: Радио и связь, 1993. 320 с.

[7] Логвинов М.А., Буров А.С., Барцевич С.Н. [Электронный ресурс] // Наука и образование. 2012. № 1.

[8] Ильчук А.Р., Жуков М.Н., Ладыгин В.А. // Радиотехника. 2010. № 7.

[9] Ильчук А.Р., Меркулов В.И., Самарин О.Ф., Юрчик И.А. // Радиотехника. 2003. № 6.

[10] Ильчук А.Р., Меркулов В.И., Юрчик И.А. // Радиотехника. 2004. № 10.

[11] Кошелев В.И., Белокуров В.А. // Радиоэлектроника. 2005. № 3.

[12] Ильчук А.Р., Киселев В.В., Ладыгин В.А. // Материалы междунар. НТК. Дивноморское, 2007.

[13] Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория: Справочник. Изд. 2-е, пере-раб. и доп. / ред. Я.Д. Ширман. М.: Радиотехника, 2007. 512 с.

[14] Кендалл М., Стюарт А. Статистические выводы и связи. М.: Гл. ред. физ.-мат. лит. изд-ва «Наука», 1973.

[15] Вентцель Е.С. Теория вероятностей: учеб. для вузов. М.: Академия, 2003. 576 с.