CC BY
58
Chernyshkov Alexander Igorevich, postgraduate, niriopaii@mail. ru, Russia, Penza, Penza Artillery Engineering Institute named after N.N. Voronova,
Mamon Yuriy Ivanovich, doctor of technical sciences, chief specialist, cdbae@,cdbae.ru, Russia, Tula, Central Design Bureau of Automation
УДК 621.396.96
ПОВЫШЕНИЕ РАДИОЛОКАЦИОННОГО КОНТРАСТА НАЗЕМНЫХ ЦЕЛЕЙ ПРИ ПОЛНОМ ПОЛЯРИЗАЦИОННОМ
ЗОНДИРОВАНИИ
О.Н. Акиншин, В. Л. Румянцев, А.В. Петешов
Предложена методика экспериментальной проверки эффективности метода полного поляризационного зондирования на макете РЛС в натурных условиях. Формирование радиолокационного изображения при полном поляризационном зондировании проводилось с применением адаптивного поляризационного выбеливающего фильтра, синтезированного по критерию минимизации спекла в изображении.
Ключевые слова: радиолокационный контраст, выбеливающий фильтр, поляризационные параметры, спекл-шум.
Целью экспериментальной проверки являлось получение количественных оценок повышения радиолокационного контраста целей за счет использования в РЛС полного поляризационного зондирования и оценок обеспечиваемого при этом повышения эффективности обнаружения и распознавания целей.
Под радиолокационным контрастом цели понимается отношение в сформированном радиолокационном изображении уровня сигнала от цели к среднему уровню сигналов, отраженных участками земной поверхности вблизи места расположения цели. Результаты теоретических исследований показывают, что применение метода полного поляризационного зондирования в РЛС с синтезированной апертурой может обеспечить в сравнении с одноканальной по поляризации РЛС повышение радиолокационного контраста целей от 2 до 6 дБ в зависимости от соотношения между поляризационными характеристиками целей и помех и на 4,8 дБ снизить уровень спекл-шума в изображении [1,2].
Методика экспериментальной проверки эффективности метода полного поляризационного зондирования на макете РЛС в натурных условиях включает в себя:
- получение радиолокационных изображений участка местности с расположенным на нем искусственным отражателем, имитирующим цель, при полном поляризационном зондировании и при зондировании на фиксированной поляризации (одноканальная по поляризации РЛС);
- получение радиолокационных изображений этого же участка местности, но в отсутствие цели;
- оценку по полученным изображениям радиолокационного контраста цели ;
- сравнение значений радиолокационного контраста, обеспечиваемых РЛС с полным поляризационным зондированием (ППЗ) и однока-нальной по поляризации РЛС.
Входными данными для формирования радиолокационных изображений являются данные о матрицах рассеяния элементов разрешения, получаемые при работе макета РЛС участка местности по азимуту. Данные представляются в виде матрицы Ж размера N хМ, где N и М - число отсчетов отраженных сигналов по дальности и азимуту соответственно. Каждый элемент матрицы Ж представляет собой комплексную матрицу рассеяния
ц =
°пт
пт упт
(1)
)уИпт Яуупт У
разрешаемого участка земной поверхности земли с координатами (Яп, ат), где Яп - расстояние от РЛС, ат - азимут. Для формирования изображения использованы образуемые из матриц рассеяния (1) процедурой векторизации трехмерные векторы рассеяния
V _ I & пт & пт & пт г
хпт - \ЛИИ ЛИу ) , (2)
где
& пт _ & пт & пт _ пт & пт _ & пт ЛНН - , ЛНН -л/2ЪИУ , - ^ .
Получаемые при работе макета РЛС данные позволяют сформировать радиолокационные изображения участка местности как при полном поляризационном зондировании, так и при зондировании на фиксированной поляризации. Для формирования радиолокационного изображения при полном поляризационном зондировании используются все элементы вектора рассеяния. Для формирования изображения на фиксированной поляризации используется только первый (РЛС с горизонтальной поляризацией), либо только третий (РЛС с вертикальной поляризацией) элементы вектора рассеяния.
Алгоритм формирования радиолокационного изображения преобразует входные данные (2) в отображаемый сигнал - вещественную величину упт, значение которой определяет яркость пикселя изображения с координатами (п,т). Формирование радиолокационного изображения при полном поляризационном зондировании проведено с применением адаптивного поляризационного выбеливающего фильтра (ПВФ), синтезированного по критерию минимизации спекла в изображении [2]:
^ ) —1
упт = ХптК Хпт , (3)
где К—1 - матрица, обратная к оценке ковариационной матрицы помехо-вых отражений от местности К. Оценка ковариационной матрицы помехи вычисляется по векторам рассеяния (2) для зондируемого участка местности в отсутствие на нем цели. Преимуществом алгоритма (3) является то, что он не требует априорных знаний поляризационных характеристик цели и помехи, что характерно для реальных условий обнаружения целей. Алгоритмом, не использующим никакой априорной или оцениваемой по данным измерений информации о помехе, является алгоритм вычисления нормы матрицы рассеяния (НМР):
Упт
XX
2
ИИпт
+
XX
купт
+
XX
уупт
(4)
Ввиду простоты его реализации представляет интерес оценка его эффективности в сравнении с алгоритмом ПВФ.
При формировании радиолокационного изображения в одноканаль-ной по поляризации РЛС отображаемый в радиолокационном изображении сигнал берется в виде
упт
XX кк
пт
для РЛС с горизонтальной поляризацией, и в виде
упт
X
уупт
(5)
(6)
для РЛС с вертикальной поляризацией.
Радиолокационный контраст цели на каждом из полученных по алгоритмам (5) - (7) изображений вычисляется по формуле
е=—, р
(7)
где уц - значение отображаемого сигнала для элемента разрешения, в котором находится цель; р - среднее значение отображаемых сигналов помехи, определяемое по элементам разрешения, не содержащих цель.
Оценки уровня спекл-шума производятся по радиолокационным изображениям участка местности в отсутствие цели. Уровень спекл-шума в изображении характеризуется отношением среднеквадратического отклонения отображаемого сигнала к его среднему значению
а У
8 = — т
(8)
Оценка эффективности полного поляризационного зондирования формируется как разность значений радиолокационного контраста цели и разность уровней спекл-шума на радиолокационных изображениях, полученных при полном поляризационном зондировании и при зондировании на фиксированной поляризации.
2
Экспериментальные исследования проводились с использованием радиолокационного измерительного комплекса, предназначенного для прецизионных когерентных измерений радиолокационных характеристик реальных и искусственных объектов. Комплекс размещен в пос. Маслово Тульской обл. на правом высоком берегу реки. Высота установки комплекса над уровнем поймы реки равна 32 м. В состав измерительного комплекса входит макет обзорной РЛС с полным поляризационным зондированием.
Макет РЛС обеспечивает получение данных о поляризационных свойствах рассеивающих объектов в виде дискретных матричных процессов для каждого из элементов разрешения макета РЛС по дальности и азимуту. Каждый из отсчетов матричных процессов представляет собой оценку комплексной матрицы обратного рассеяния элемента разрешения РЛС.
Технические характеристики макета РЛС представлены в табл. 1
[2, 3].
Таблица 1
Основные технические характеристики макета РЛС с ППЗ
№ п/п Несущая частота зондирующего сигнала 9345 МГц
1 Принцип формирования зондирующего векторного сигнала Две ортогональные когерентные последовательности радиоимпульсов со случайной начальной фазой, соответственно, для каждой из ортогональных по поляризации компонент зондирующего сигнала.
2 Частота повторения зондирующих импульсных посылок ортогональных по поляризации компонент зондирующего векторного сигнала 1 кГц
3 Мощность зондирующей импульсной посылки 7 кВт
4 Длительность импульсной посылки 0,75 мкс
5 Максимальная скорость сканирования антенны по азимуту 50/с
6 Вид обработки принимаемых векторных сигналов Когерентная, согласованный с зондирующим векторным сигналом матричный фильтр
7 Максимальный сектор сканирования по азимуту 1800
8 Максимальный сектор сканирования по углу места 900
В ходе проведения экспериментальных исследований на участке местности устанавливались искусственные радиолокационные отражатели с различными поляризационными свойствами. Зона измерений выбиралась из соображений однородности участка земной поверхности.
70
В соответствии с вышеизложенным, на первом этапе экспериментальных работ производилась запись первичных данных для всей зоны измерений (ЗИ). При этом в режиме азимутального сканирования регистрировались первичные данные для каждого из элементов разрешения РЛС.
На втором этапе в центре зоны измерений устанавливался трех-
4 2
гранный уголковый отражатель (УО) с полной ЭПР 2 • 10 м , необходимый для калибровки макета. Высокое значение ЭПР и известная матрица обратного рассеяния УО, имеющая вид
'1 0Л
I = А
0 1 у
позволяют оценить и компенсировать при обработке результатов измерений различие комплексных коэффициентов передачи приемо-передающих каналов макета, а также оценить форму ДН и ее поляризационную окраску.
На третьем этапе экспериментальных измерений вместо трехгранного уголкового отражателя с большой ЭПР поочередно устанавливались отражатели с существенно меньшей ЭПР, имитирующие неподвижные цели на однородном участке местности. Цель 1 представляет собой трехгранный уголковый отражатель с полной ЭПР 18 м . Матрица рассеяния цели 1 имеет такой же вид, как и матрица рассеяния большого уголкового отражателя, используемого для калибровки макета РЛС. Цель 2 представляет собой конический рупор, нагруженный на поляризационный разделитель. Один из выходов поляризационного разделителя закорочен, а к выходу второго подключена поглощающая нагрузка. Такая конструкция позволила получить имитатор цели с полной ЭПР 30 ми матрицей обратного рассеяния вида
' 1 — 1Л
&цель2 = к
—1 1
Существенное различие матриц обратного рассеяния отражателей, используемых в качестве имитаторов целей, позволило провести сравнительный анализ эффективности повышения радиолокационного контраста целей с различными поляризационными свойствами.
После установки имитатора цели в центр зоны стендовых измерений макетом РЛС в режиме сканирования антенны по азимуту производилась запись первичных данных. Полученные таким образом данные для трех различных ситуаций - «Отсутствие цели», «Цель 1» и «Цель 2» использовались затем для формирования радиолокационных изображений по алгоритмам, определяемых выражениями (4) - (7).
Оценки радиолокационного контраста целей, полученные по экспериментальным данным в соответствии с выражением (7), представлены в табл. 2.
Таблица 2
Радиолокационный контраст целей в изображении, дБ
№ п/п РЛС с фиксированной поляризацией РЛС с полным поляризационным зондированием
1 Горизонтальная Вертикальная поля- НМР ПВФ
поляризация ризация
2 8,4 14,5 10,7 13,1
3 12,6 13,3 14,6 17,4
В таблице 2 строка №2 соответствует цели 1, а строка №3 - цели 2. Как следует из анализа приведенных в таблице данных, метод полного поляризационного зондирования с применением поляризационного выбеливающего фильтра обеспечивает в сравнении с РЛС с фиксированной поляризацией повышение радиолокационного контраста на 4...5 дБ, что весьма существенно при восприятии и анализе изображений, особенно для изображений с высоким разрешением.
10 5 0
170.0 171.0 172.0 173.0 174.0 175.0 176.0 177.0
Азимут, град
Рис. 1. Выходной сигнал устройств обработки для цели 1 по алгоритму вычисления квадрата нормы матрицы рассеяния
Проигрыш алгоритмов НМР и ПВФ в сравнении с одноканальной РЛС с вертикальной поляризацией для цели 1 объясняется, как уже отмечалось выше, свойствами помехи. В данном случае на вертикальной поляризации отражения от подстилающей поверхности ниже (в среднем на 2 - 3
72
дБ), чем на горизонтальной поляризации. В то же время отражение от цели на вертикальной поляризации на 2 дБ выше, чем на горизонтальной поляризации (см. рис. 1,2).
В этих условиях одноканальная РЛС с вертикальной поляризацией является наилучшей по величине отношения сигнал-помеха. Но, как было сказано выше и отмечено в работах [4,5], для других целей, отличных по поляризационным характеристикам от цели 1, одноканальная РЛС будет проигрывать РЛС с ППЗ по качеству обнаружения целей. Из полученных результатов следует, что для целей, у которых все элементы матрицы рассеяния имеют сравнимые значения модулей, РЛС с ППЗ будет обеспечивать выигрыш в сравнении с одноканальной РЛС.
Азимут, град
Рис. 2. Выходной сигнал устройств обработки для цели 1 по алгоритму с использованием поляризационного выбеливающего фильтра
Таким образом, проведенная экспериментальная проверка эффективности метода полного поляризационного зондирования для повышения радиолокационного контраста целей на макете РЛС в натурных условиях, показала, что метод ППЗ с использованием адаптивного поляризационного выбеливающего фильтра обеспечивает в сравнении с РЛС с фиксированной поляризацией повышение радиолокационного контраста на 4.. .5 дБ и снижение частоты ложных тревог в 5.7 раз. Некогерентное объединение выходных сигналов приемных каналов РЛС с ППЗ имеет проигрыш перед алгоритмом с применением поляризационного выбеливающего фильтра в 2.3 дБ.
Список литературы
1. Акиншин Н.С., Румянцев В.Л., Мамон Ю.И., Болдин А.В. Различение слабоконтрастных радиолокационных целей на фоне земной поверхности. Тула: ТулГУ, 2006. 192 с.
2. Акиншин Н.С., Быстров Р.П., Румянцев В.Л., Соколов А.В. Миллиметровая радиолокация: методы обнаружения негауссовских сигналов // М.: Радиотехника, 2010. 528 с.
3. Акиншин Н.С., Румянцев В.Л., Хомяков А.В. Алгоритмы обнаружения объектов в поляризационных РЛС // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: ТулГУ, 2016. Вып. 2. С. 14-22.
Акиншин Олег Николаевич, канд. техн. наук, начальник отдела, cdhaeacdhae.ru, Россия, Тула, АО Центральное конструкторское бюро автоматики,
Румянцев Владимир Львович, д-р техн. наук, проф., заместитель начальника отдела, cdhaeacdhae.ru, Россия, Тула, АО Центральное конструкторское бюро автоматики,
Петешов Андрей Викторович, канд. техн. наук, доц., начальник кафедры, D-johnposta mail.ru, Россия, Череповец, Череповецкое высшее военное инженерное училище радиоэлектроники
THE INCREASE IN RADAR CONTRAST GROUND TARGETS AT FULL POLARIZATION
SENSING
O.N. Akinshin, V.L. Rumyantsev, A. V. Peteshov
The proposed method of experimental verification of the method efficiency full polarization sensing on the layout of the radar in situ. Formation of radar image with full polarization probing was carried out with the use of adaptive polarization Wihlishauser filter based on the criterion of minimizing the speckle in the image.
Key words: radar contrast, wehalive filter, the polarization parameters of the speckle noise.
Akinshin Oleg Nikolaevich, candidate of technical sciences, head of department, cdhaeacdhae.ru, Russia, Tula, Central Design Bureau of Automation,
Rumyantsev Vladimir Lvovich, doctor of technical sciences, professor, deputy head of Department, cdhaeacdhae. ru, Russia, Tula, Central Design Bureau of Automation,
Peteshov Andrey Viktorovich, candidate of technical sciences, professor, head of the department, D-john post a mail.rii, Russia, Cherepovets, Cherepovets Higher Military Engineering School of Radioelectronics
