НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 621.396

НИИ РЭТ МГТУ им. Н.Э. Баумана

nefedov@bmstu.ru

rastvorov@yandex.ru

vostorgoff@mail.ru

min-st-1986@mail.ru.

shum_ov@mail.ru

Одним из ключевых направлений в современной радиолокации является радиовидение [1 - 4], в рамках которого ведется разработка радиолокационных систем нового поколения, предусматривающих автоматическое распознавание различных типов целей по их радиолокационным портретам. Для разработки и отладки перспективных алгоритмов распознавания объектов техники и других техногенных образований, а также формулировки требований к параметрам таких радиолокационных станций потребовалось получение банков данных по сигнатурам объектов в перспективных диапазонах электромагнитного спектра. Рассматриваемые банки данных можно использовать для построения алгоритмов, основанных на корреляционных или текстурных методах распознавания образов. Кроме того, содержащиеся в них результаты портретирования радиолокационных целей являются необходимым исходным материалом для исследования сигнатур с целью получения базовых инвариантных признаков для дальнейшего распознавания и классификации.

С 2006-го года в Научно-исследовательском институте радиоэлектронной техники МГТУ им. Н.Э. Баумана ведутся работы по созданию передвижной широкополосной радиолокационной установки миллиметрового диапазона рабочих длин волн и созданию банка данных радиолокационных сигнатур неподвижных и движущихся объектов [5 - 7]. Созданная радиолокационная установка представляет собой полностью когерентный твердотельный радиолокатор, позволяющий одновременно работать в 8 и 3 мм диапазонах длин волн с использованием табличного формирователя сигнала с векторной модуляцией в полосе до 200 МГц. Тем самым обеспечивается локация в этой полосе с применением всех известных на сегодняшний день типов зондирующих сигналов.

С помощью созданной передвижной радиолокационной установки была проведена серия экспериментальных работ по получению сигнатур различного класса радиолокационных целей техногенного происхождения. Целью проводимых работ было получение банка данных радиолокационных целей в диапазонах рабочих длин волн 8 мм и 3 мм при применении перспективных, с точки зрения радиовидения, широкополосных сигналов. Важной частью работ являлись регистрация, документирование и исследование данных, полученных с учетом когерентного накопления зондирующего сигнала.

Аппаратура позволила впервые корректно получить необходимые для сравнительного анализа портреты объектов техники на фоне подстилающей поверхности при применении сверхкороткоимпульсного и линейно-частотно манипулированного сигналов в полосе до 100 МГц, а также собрать обширный материал по портретам различных объектов техники в рассматриваемых диапазонах. Работы выполнялись на территории Дмитровского филиала МГТУ им. Н.Э. Баумана и на территории в/ч 21374.

На рис. 1 показана схема расположения объектов при проведении портретирования неподвижных и движущихся объектов на территории в/ч 21374. Методика портретирования предполагала применение различного рода реперных целей с известной эффективной поверхностью рассеяния для получения корректных откалиброванных данных. Для размещения объектов техники использовалась горизонтальная ровная площадка (см. рис. 1) без высокой растительности как внутри, так и на трассе от площадки до радиолокатора. Для размещения портретируемых объектов военной техники внутри площадки 1 выделялась специальная площадка 2 меньших размеров. Радиолокационная установка размещалась на площадке 3 с твердым покрытием, позволяющим вывешивать ее на домкратах, что позволило обеспечить жесткую фиксацию ее положения в пространстве и практически полное отсутствие вибраций в процессе работы. Портретируемые объекты размещались в удалении от мешающих дополнительных отражающих поверхностей, таких как строения, заборы, лесные массивы и т.п.. Для получения линейного разрешения порядка 1,5х1,5 м расстояние от радиолокационной установки 3 и 8 мм диапазона длин волн до центра площадки 2, где располагалась исследуемая техника, не превышало 80 – 100 м.

Рис.1. Схема расположения объектов при проведении портретирования

Азимутально-дальностное портретирование объектов техники с использованием сверхкороткоимпульсных и линейно-частотно манипулированных сигналов проводилось в следующей последовательности. После выполнения подготовительных работ и настройки аппаратуры на заданный тип сигнала на площадке выставлялся объект техники, с фиксированием начального ракурса посредством теодолита. Далее проводилось предварительное сканирование цели для выставления значений аттенюаторов приемного тракта, затем записывался азимутально-дальностный портрет цели, технология получения которого приведена в [5-7]. После чего цели поворачивалась на 45±10 градусов с фиксацией угла поворота. Далее проводилась запись азимутально-дальностного портрета для нового ракурса объекта в сочетании со сменой вида поляризации или типа сигнала.

На рис. 2 приведен пример изображения бронетранспортера при локации сверхкороткоимпульсным сигналом на длине волны 8 мм (а) и 3 мм (б), и линейно-частотно манипулированным сигналом на длине волны 8 мм (в) и 3 мм (г).

При работе в сверхкороткоимпульсном режиме изображение оказывается в целом более контрастным. Это достигается за счет эффекта отсутствия боковых лепестков сигнала и просачивания по ним энергии, отраженной подстилающей поверхностью. Следует отметить, что общепринятая идеология формирования изображения на основе контрастных блестящих точек в данном случае оказывается неработоспособной. Как видно на приведенном рисунке явно формируются яркие зоны рассеяния, привязанные не к абстрактным областям изображений на поверхности, а к неоднородным областям непосредственно на объекте.

Анализ полученных в ходе экспериментальных работ изображений с точки зрения особенностей рассматриваемых диапазонов показывает, что для рассматриваемых образцов техники не следует исключать влияния специализированных покрытий, направленных на снижение интенсивности рассеяния в диапазонах, активно используемых в радиолокационных системах поля боя и управления оружием.

При анализе изображений, полученных при применении широкополосного линейно-частотно манипулированного зондирующего сигнала (см. рис. 2 в и г) обнаружена закономерность, связанная с особенностями данного сигнала. Она заключается в появлении дополнительного числа зон рассеяния в изображении, которые никак не связаны с областями портрета, собственно рассеивающими сигнал. Связано это с наличием интенсивных боковых лепестков изображения, приводящих к появлению ложных зон и областей рассеяния. При применении линейно-частотно манипулированного сигнала наблюдается эффект смещения зон рассеяния от их истинного положения, что в некоторой степени искажает полученное радиолокационное изображение относительно соответствующего ему оптическому.

Важным аспектом, связанным с распознаванием объектов на основе их радиолокационных изображений, а соответственно и необходимым условием при формировании их банков данных является влияние углового положения (ракурса) цели. Шаг ракурсной зависимости, для которой начинают наблюдаться изменения в портрете, связан с шириной диаграммы направленности антенны или с угловым разрешением. При проведенных экспериментах он был определен как 3...5 градусов. Однако замеры, проведенные с несколько большим шагом, показали, что искажений портретов, связанных с затенением объектов, в общем случае не наблюдается, и на основании этого шаг углового портретирования может быть пересмотрен в большую сторону.

Еще одним важным аспектом портретирования целей в интересах выявления признаков обнаружения и распознавания является получение их доплеровских портретов. При локации объектов техники доплеровские портреты позволяют оценить вибрационные шумы, связанные с работой двигателя и иными акустическими и механическими факторами, связанными с лоцируемым объектом. До недавнего времени получить акустические портреты целей удавалось только для аэродинамических объектов [8], тогда как для наземных целей эта задача являлась нерешенной. Ключом к решению оказалось совмещение технологий сверхкороткоимпульсной радиолокации и длительного когерентного накопления. В этом случае, за счет исключения подстилающей поверхности, удалось выявить в отраженном сигнале малые по интенсивности гармоники, соответствующие модуляции за счет вибрации корпуса объекта. Эти гармоники обладают низкой интенсивностью и подавляются отражениями от подстилающей поверхности.

На рис. 3 показаны доплеровские спектры радиоакустики, соответствующие сигналам, отраженным от неподвижного автомобиля с выключенным двигателем (рис. 3а), с включенным двигателем (рис. 3б), движущегося танка (рис. 3в), а также аэродинамической цели. Доплеровские портреты, представленные на рис. 3а – 3в получены в миллиметровом диапазоне рабочих длин волн, а представленные на рис. 3г получены в сантиметровом диапазоне рабочих длин волн с использованием оснащенной аппаратурой длительного когерентного накопления станцией обзора и управления оружием зенитного ракетного комплекса Бук-М1 [8].

Как видно из рис. 3, при длительном когерентном накоплении в спектре сигнала, отраженного от неподвижного автомобиля с включенным двигателем, наблюдается значительное расширение основного пика и появление дополнительных гармоник по сравнению со спектром сигнала, отраженного от автомобиля с выключенным двигателем. Данное расширение и появление новых гармоник связано именно с работой двигателя, а не с потерей когерентности на трассе распространения или в аппаратуре макета. При движении наземного объекта при длительном когерентном накоплении и сверхкороткоимпульсном режиме работы в спектре отраженного сигнала появляется характерная радиоакустическая подставка, аналогичная аэродинамической цели в сантиметровом диапазоне длин волн. Сходство полученных спектров позволяет говорить о наличии эффекта модуляции при движении объекта или работе двигателя, который проявляется при длительном когерентном накоплении. Причем для наземных целей это достигается при применении сверхкороткоимпульсной радиолокации.

В результате проведенных экспериментальных работ был сформирован банк данных наземных целей, включающий в себя портреты 12 типов наземных целей, полученные в диапазонах 8 мм и 3 мм при использовании сверхкороткоимпульсного и линейно-частотно манипулированного сигналов в полосе 100 МГц. При этом в банке данных находятся ракурсные зависимости для каждого из типов целей, снятые с шагом 10...12 градусов, а также сигналы, зарегистрированные в режиме длительного когерентного накопления, рассеянные неподвижными целями и доплеровские портреты, полученные с их использованием. Полученные результаты говорят о перспективности применения миллиметрового диапазона длин волн и сверхкороткоимпульсных сигналов как в когерентном, так и в некогерентном режимах работы для решения задач обнаружения и распознавания объектов. Накопленный объем данных сигнатур объектов также позволяет определить пространство признаков для дальнейшей разработки алгоритмов распознавания и их верификации.

Список использованных источников:

1. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. М.: Радиотехника, 2005. 368 с.

2. Jacobs S.P., O’Sullivan J.A. Automatic Target Recognition Using Sequences of High Resolution Radar Range-Profiles // IEEE Trans. Aerospace and Electronic Systems. 2000. Vol. 36, №2. P 364-381.

3. Федоров И.Б., Слукин Г.П., Нефедов С.И. Перспективы применения технологии длительного когерентного накопления в обзорных радиолокационных станциях // Вестник МГТУ. Сер. Приборостроение. 2005. Спец. выпуск. С.112-132.

4. Скосырев В.Н., Осипов М.Л. Особенности и свойства сверхкороткоимпульсной радиолокации // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 1999. №4. С. 21 - 30.

5. Широкополосная радиолокационная установка и проведение комплекса экспериментальных работ / Нефедов С.И. [и др.] // Труды XV международной научно-технической конф. Воронеж. 2009. Т. 3. C. 1305 - 1312.

6. Двухдиапазонная широкополосная радиолокационная установка с применением сверхкоротких импульсов / С.И. Нефедов [и др.] // Труды Российского научно-технического общества радиотехники, электроники и связи имени А.С. Попова. 2009. Вып. 3. С. 223-226.

7. Многодиапазонная широкополосная радиолокационная установка и проведение на ней комплекса экспериментальных работ / Нефедов С.И. [и др.] // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2009. Спец. выпуск. С. 70-75.

8. Нониашвили М.И., Нефедов С.И., Крючков И.В. Получение радиоакустических сигналов в РЛС с квазинепрерывным излучением // Труды XV международной научно-технической конф. Воронеж. 2009. Т. 3. C. 1464 - 1467.