Автор неизвестен - Сборник научных трудов 3-го международного радиоэлектронного форума прикладная радиоэлектроника - страница 19

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 

где ha - высота расположения антенны РЛС; gN - градиент индекса атмосферной реф­ракции; R - дальность. При некотором критическом угле скольжения:

УКр =--, (2)

КР    (14,4- + 5,5) НВ

где - длина радиоволны; НВ - высота морской волны (расстояние от гребня до впади­ны), происходит переход от области плато (сг° = const) к интерференционной области, для которой сг° ~ у4 . Для учета этого изменения вводится функция:

RKP + R

Здесь RKP = (14,4— + 5,5)HBha / - критическая дальность, начиная с которой происхо­дит переход к интерференционной области.

Для учета зависимости удельной ЭПР моря от скорости ветра и направления облу­чения морской поверхности по отношению к направлению ветра применяют соотноше­ния [3,4]. При расчете удельной ЭПР предполагаются известными: градиент индекса ат­мосферной рефракции в приповерхностном слое воздуха, направление и скорость ветра,

СРРСН'2008

1-ч.1 - 117длина волны излучаемых колебаний, высота расположения антенны и дальность до изме­ряемого участка морской поверхности.

2 Радиолокационная наблюдаемость объектов при наличии помех от моря. Для

надводных целей множитель ослабления поверхности можно оценить по соотношению (3), считая критической дальностью Якр дальность первого интерференционного макси­мума:

4ИРЛСНЦ

где Якр м - критическая дальность для отражений от моря, НЦ - высота эквивалентного

центра рассеяния объекта при отсутствии волнения.

Оценки с использованием соотношений (1-4) и данных работ [3,4] показывают, что одной из основных задач при разработке РЛС обнаружения надводных целей в сантимет­ровом диапазоне длин волн является повышение их потенциала, в то время как в милли­метровом диапазоне на первый план выходит проблема подавления отражений от моря. Для малых и сверхмалых объектов эта же проблема возникает при их обнаружении в РЛС сантиметрового диапазона. Уменьшение высоты размещения антенны РЛС кроме сниже­ния дальности прямой видимости приводит к уменьшению критических дальностей как для отражений от целей, так и моря. При этом снижается контраст целей на фоне моря в интерференционной области. При оценке требуемых для обнаружения надводных целей контрастов необходимо учитывать потери в соотношении сигнал/помеха, возникающие из-за негауссовости статистики отражений от моря [5] табл. 1.

Таблица 1

Зависимость коэффициента различимости от волнения

Скорость ветра, м/с

4

6

8

10

Волнение моря, баллы

1

2

3

4

Вероятность выбросов отражений от моря

0,1

0,14

0,2

0,23

Отношение интенсивностей при выбросах отра-

13

11

9,5

8

жений и паузах, дБ

 

 

 

 

Потери в соотношении сигнал/шум из-за негаус-

12

10,5

9

7,5

совости

 

 

 

 

Требуемый для обнаружения с вероятностью 0,9 ложной тревоги 10-4 коэффициент различимости

24-31

22,5-

21-28

19,5-

 

 

29,5

 

26,5

Анализ показывает, что в сантиметровом диапазоне соотношения сигнал/шум дос­таточны для обнаружения на заданных дальностях целей с ЭПР 1 и 10 м2. Для целей с ЭПР 100 м2, получаемые при волнениях менее 3 баллов соотношения сигнал/шум недос­таточны для обнаружения. Отражения от моря при волнениях свыше 2 баллов ограничи­вают возможность обнаружения целей с ЭПР около 1 м2, а более 3 баллов - целей с ЭПР 10 м2. В РЛС миллиметрового диапазона волн контраст целей на фоне отражений от моря примерно на 12-16 дБ ниже, чем в РЛС сантиметрового диапазона при примерно одина­ковых размерах импульсного объема. Это связано с возрастанием удельной ЭПР моря примерно на 5-8 дБ, а также увеличением критических дальностей с одной стороны и одинаковыми значениями ЭПР надводных объектов в миллиметровом и сантиметровом диапазонах волн с другой. Необходимо отметить, что в миллиметровом диапазоне волн возникают проблемы с обнаружением целей, имеющих ЭПР 1 м2 при волнении свыше 1 балла, 10 м2 - свыше 2 баллов, и даже для целей с ЭПР 100 м2 возникают трудности с их обнаружением при волнениях 4 и более баллов.

Анализ показывает, что для обнаружения малоразмерных надводных целей на фоне взволнованного моря необходимо применение высокоэффективных методов селекции, обеспечивающих подавление помех от моря на 7..15 дБ на волне 3 см и 18..26 дБ на волне

СРРСН'2008

1-ч.1 - 118

8 мм. Необходимо отметить, что оценки требуемых дополнительных контрастов А/л по­лучены для размеров элемента разрешения по дальности 10 м и азимуту 10 мрад. Для других параметров требуемые контрасты получаются простым пересчётом через измене­ния размеров элемента разрешения РЛС.

3 Оценка эффективности узкополосной доплеровской селекции надводных це­лей. Для селекции сигналов надводных целей могут быть использованы различия в ши­рине спектров помех и полезных сигналов. Отражения от моря являются существенно более широкополосными, а значит, согласовав полосу фильтра СДЦ с шириной спектра полезного сигнала, можно значительно ослабить помехи. Для системы СДЦ с узкополос­ным фильтром, степенной аппроксимации спектра помех от моря [2] и приведенных там же аппроксимаций спектра коэффициент подавления определяется соотношениями:

П min

1 +

0,31(36 + 17,8Vb )

■3,22

^ П min

2A AF = 2^ 0,61(36 + 17,8Vb ) n 5F       n X5F

(5)

п

п

где An = cos ec — , AF, F0 - полуширина и центральное смещение спектра помех от n n

моря, причём 5F << AF , VB - скорость ветра в м/с, Л - длина волны в см, 5F - ширина полосы пропускания фильтра СДЦ, а n - характеризует скорость убывания спектра.

На рис. 1а приведены минимальные значения коэффициента подавления помех от моря, рассчитанные с использованием соотношения (5) в зависимости от скорости ветра и рабочего диапазона РЛС.

2 4

01 2 3 4

8 Ю 12 14 16 (/м/с

а)

да Ворфорт/

б)

в)

Рис. 2. Подавление помех от моря узкополосной СДЦ: а) влияние волнения на коэффициенты подавления: 1 - Л = 3см; 2 - Л = 8мм ; 3 - Л = 4мм; 1 - V = 0м / С ; 2 - V = / С ; 3 - V = 2м / С ; 4 - V = 4м / С, б - Л = 8мм ; в - Л = 3см

При расчётах полоса пропускания фильтра СДЦ бралась 10 Гц, что примерно соот­ветствует ширине спектра отражений от объектов и слабо зависит от длины волны излу­чения. Видно, что укорочение рабочей длины волны и связанное с этим расширение спек­тра помехи позволяет повысить эффективность селекции сигналов малоскоростных объ­ектов. На рис.1б,в приведены рассчитанные коэффициенты подавления помех от моря для волн 8 мм и 3 см соответственно. На этих же рисунках заштрихованными областями показаны необходимые для обнаружения малоразмерных целей на дальностях 3..5 км до­полнительные контрасты, которые получены с использованием приведенных в табл. 1 данных. Видно, что на волне 8 мм узкополосная доплеровская фильтрация позволяет обеспечить соотношения сигнал / помеха, требуемые для обнаружения неподвижных и движущихся со скоростями более 4 м/с целей. Для обнаружения цели со скоростью дви­жения 1..2 м/с при скорости ветра более 6 м/с необходимо дополнительное улучшение

СРРСН'2008

1-ч.1 - 119радиолокационной наблюдаемости на 5..10 дБ. На волне 3 см проблемы с обнаружением возникают лишь для целей со скоростями движения около 2 м/с при скорости ветра более 9 м/с, для обнаружения которых необходимо обеспечить получение дополнительного контраста около 5 дБ.

Выводы. Применение коротких импульсов с длительностью не более 75нс, узкона­правленных в азимутальной плоскости антенн с шириной диаграммы менее 10мрад в со­четании с узкополосной доплеровской фильтрацией во многих случаях позволяет в сан­тиметровом и миллиметровом диапазонах волн решить задачу обнаружения на дально­стях с наиболее сильной засветкой отражениями от морской поверхности целей с ЭПР более 10 м2. Для целей с меньшими значениями ЭПР получаемые при этом контрасты недостаточны и необходима разработка методов селекции, позволяющих повысить, на­пример, за счёт адаптации, степень подавления помех от моря.

Литература

1. Справочник по радиолокации /Под.ред. М.Сколника. - М.: Сов.радио, 1976, т.1. -

455с.

2. Кулемин Г.П., Луценко В.И. Рассеяние радиоволн СВЧ морской поверхностью // "Радиофизические исследования Мирового океана" Сб научн. Трудов АН Украины по проблеме "Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых волн", Харьков, 1992,

с.6-31.

3. Kulemin G.P. Millimeter Wave Radar Target and Clutter.-Artech House, Boston.-London.-2003.-417p.

4. Horst M.M.,Dyer F.B. Fuley M.T. / Radar Sea clutter Model AP/S URSI Symp. col­lege Park. Maryland. USA. p.p.6-10.

5. Луценко В.И Обнаружение сигналов на фоне негауссовых помех от подстилаю­щей поверхности / Электромагнитные волны и электронные системы, Математическое моделирование физических процессов.- №12, 2007.-с.41-57.

СРРСН'2008

1-ч.1 - 120

УЗКОПОЛОСНАЯ ДОПЛЕРОВСКАЯ СЕЛЕКЦИЯ МАЛОСКОРОСТНЫХ

ОБЪЕКТОВ НА ФОНЕ МОРЯ

В. И.Луценко

Институт радиофизики и электроники им. А.Я.Усикова НАН Украины, 61085, Харьков, ул.Академика Проскуры, тел.: (8063) 573-18-85; E-mail: lutsenko@ire.kharkov.ua With uses of real noise, which are created by the scattering from the sea, is viewed the ef­ficiency of uses of methods of narrowband selection of low-speed objects.

Введение. При решении задач охраны водных регионов, государственной границы, обеспечении безопасного судовождения возникает проблема обнаружения малоразмер­ных, малоскоростных надводных объектов на фоне помех, создаваемых отражениями от морской поверхности. Для таких объектов (пловцов, пловцов на подручных средствах, резиновых надувных лодок, виндсерфингов) характерны малые значения ЭПР, и скоро­сти движения примерно такие же, как и у морских волн. Это затрудняет применение тра­диционных методов доплеровской селекции, построенных на использовании отличий в скоростях движения целей и помех. Вместе с тем, экспериментально было установлено, что практически для всех типов надводных объектов характерна существенно меньшая ширина спектра отраженного сигнала [1], чем у отражений от моря [2]. Причем, если ши­рина спектра отраженного морем сигнала растет пропорционально частоте облучения, то для целей она практически не меняется. Это означает, что использование узкополосных доплеровских фильтров СДЦ, согласованных по полосе со спектром отражений от целей позволяет повысить радиолокационную наблюдаемость малоскоростных надводных це­лей. Причем при укорочении рабочей длины волны РЛС будет возрастать достигаемое с их использованием улучшение радиолокационной наблюдаемости. В настоящей работе рассмотрена возможность использования адаптивной узкополосной доплеровской селек­ции и непараметрических методов обнаружения для повышения эффективности обнару­жения малоскоростных объектов на фоне моря.

Оценка эффективности методов узкополосой селекции. Для селекции мало ско­ростных у целей на фоне моря могут использоваться, как уже указывалось, различия в ширине спектров полезных сигналов и помех. Поскольку помеха, создаваемая отражени­ем от моря, по своему спектральному составу и законам распределения флуктуаций отли­чается от белого гауссова шума, то представляется целесообразным исследование эффек­тивности алгоритмов узкополосной доплеровской селекции с адаптивным управлением порогом. Для управления порогом принятия решения может применяться несколько под­ходов. Один из них состоит в получении оценок средних значений спектральной плотно­сти помехи и сопоставлении с ними текущих значений оценок спектра на каждой из ана­лизируемых частот. При превышении текущим значением спектральной плотности сред­него уровня в заданное число раз, делается вывод о наличии полезного сигнала на этой частоте и одновременно оценивается по доплеровскому смещению частоты скорость дви­жения цели. Такой подход эквивалентен сравнению с порогом частного от деления теку­щей оценки спектральной плотности на ее среднее значение. Поэтому, в дальнейшем, та­кие алгоритмы будем называть алгоритмами с обелением помехи. В рамках второго под­хода спектральная плотность входной выборки на анализируемой частоте сравнивается с уровнями спектральной плотности на частотах выше и ниже анализируемой. При превы­шении спектральной плотности в анализируемом частотном окне соседних по частоте значений не менее чем в заданное количество раз делался вывод о наличии полезного сигнала. Такие алгоритмы будем называть ранговыми или алгоритмами с ранжированием выборок. Рассматриваемый нами случай является предельным вариантом алгоритма с ранжированием выборок спектральных отсчетов.

Для анализа эффективности алгоритмов селекции использовались записи помех от моря на волне 3 см, полученные зондировании пространства монохроматическим сигна­лом. Средняя скорость ветра в момент проведения опыта составляла 18м/С, порывами

СРРСН'2008

1-ч.1 - 121свыше 40м/С (волнение 6 балов). Излучался сигнал линейной с углом наклона 450 поля­ризации. Прием осуществлялся двух ортогонально поляризованных компонент: горизон­тальной и вертикальной поляризаций, что позволило сопоставить эффективность допле-ровской селекции на различных поляризациях, а также выяснить возможности совмест­ной поляризационно - спектральной обработки сигналов. Азимут облучения поверхности моря составлял около 60° по отношению к направлению ветра. В спектрах рассеянного сигнала в этом случае практически отсутствовало центральное смещение частоты. На уровне -20дб относительно максимума спектральной плотности в высокочастотной об­ласти спектра рассеянного сигнала наблюдался дополнительный максимум, связанный с отражением от брызг, сносимых ветром. Оценка спектров производилась с использовани­ем процедуры БПФ по 128 отсчета при частоте повторения 2,5кГц, что позволило полу­чить разрешение по частоте коло 20 Гц, т. е. примерно соответствующее ширине допле-ровского спектра сигнала от надводных целей. Анализировалась возможность обнаруже­ния малоскоростных целей со скоростями движения 0,6м/С, 1,2м/С и 1,8м/С. При этом, уровень спектральной плотности помех от моря на частотах, соответствующих этим ско­ростям, составлял -8дБ,-16дБ и -22дБ соответственно. На рис.1 приведены зависимости вероятности ложной тревоги от порога принятия решения для обнаружителей с выбели­ванием помехи и рангового.

354ГГ порог

Рис. 1. Порог принятия решения для узкополосных доплеровских селекторов: а - с обелением помехи; б - ранговый; 1 - ГП; 2 - ВП; 3 - ГП*ВП.

Кривые 1 относятся к горизонтальной, 2-к вертикальной поляризация излучениям и приема, а 3- к совместной мультипликативной обработке выходных эффектов системы БПФ на ортогональных поляризация. Следует отметить, что при ранговом алгоритме -рис.1 б, который использует сравнение уровня спектральной плотности в испытуемой ячейке с соседними, уровень порога устанавливается на 8,5...9,5дб выше, чем при фор­мировании его по среднему значению - рис.1.а (алгоритм с обелением спектра помехи). Это связано с тем, что в пределах анализируемого частотного окна (в нашем случае за­хватывающего 5 ячеек разрешения по частоте) имеются существенные перепады спек­тральной плотности помех от моря, и при выборе порога приходится ориентироваться на наибольшее значение спектральной плотности в пределах анализируемого участка час­тот. Оно свою очередь определяется законом распределения флуктуации, параметрами которого являются как среднее значение спектральной плотности, так и моментные ха­рактеристики более высоких порядков. Сопоставление уровней порогов, устанавливае­мых при различных поляризациях, показывает, что для обоих алгоритмов на вертикаль­ной поляризации необходимый порог на 2,5.5дБ ниже, чем на горизонтальной. Это свя­зано с более высокой вероятностью появления больших значений помехи на сантиметро­вых волнах при горизонтальной поляризации излучения / приема по сравнению с верти­кальной. Применение мультипликативной обработки отметок на ортогональных поляри­зациях (кривые 3 на рис.1) позволяет значительно понизить вероятность прохождения ложных отметок на выход устройства, либо при тех же вероятностях ложной тревоги понизить порог на 5.5...7 дБ для алгоритма обеления помехи и на 12...13 дБ для ранго­вого алгоритма. Это, в свою очередь, позволяет понизить требуемое для обнаружения

СРРСН'2008

1-ч.1 - 122целей соотношения сигнал / помеха. На рис.2а,б приведены зависимости вероятности об­наружения, не флуктуирующего сигнала с различным доплеровским смещением частоты на фоне помех от моря при алгоритме с обелением помех и при ранговом алгоритме со­ответственно. Видно, что для достижения тех же вероятностей обнаружения алгоритму с обелением помехи (рис.2а) требуются меньшие на 5...20дБ в зависимости от скорости цели соотношения сигнал/помеха, чем для рангового алгоритма (рис.2б) с отбором мак­симальной спектральной плотности. Это связано с тем, что в последнем случае сказыва­ются значительные перепады спектральной плотности помехи в диапазоне анализируе­мых частот.

Рис. 2. Характеристики обнаружения систем с узкополосными фильтрами СДЦ: Р = 10"1 а - с обелением помехи; б - ранговой обработкой; 1 - ГП; 2 - ВП; 3 - ГП*ВП

Порог при этом автоматически "подтягивается" к спектральным отсчетам, имею­щим максимальный уровень, что и приводит при обнаружении к необходимости обеспе­чения более высоких соотношений сигнал - помеха. Для снижения потерь в соотношении сигнал - помеха при использовании ранговых алгоритмов необходимо осуществление предварительного обеления помехи, приводящего к выравниванию ее спектральной плот­ности в диапазоне анализируемых доплеровских частот. Это можно реализовать путем установки порога по среднему уровню помехи для каждой из частот, как это делается в алгоритме с обелением с последующим применением ранговой процедуры отбора мак­симума. Несколько иной подход состоит в использовании для формирования порога со­седних с испытуемой ячеек по дальности на тех же доплеровских частотах. Для алгорит­ма с обелением помехи это эквивалентно получению средних оценок спектральной плот­ности помехи не за счет усреднения по времени, а по ансамблю, содержащему несколько пространственных ячеек дальности.

Необходимо отметить, что укорочение рабочей длины волны РЛС позволяет повы­сить разрешающую способность по скорости. Одновременно этим пропорционально час­тоте излучения происходит расширение спектра отраженного от моря сигнала. Это при­водит к уменьшению перепада уровней спектральной плотности между исследуемой час­тотой и соседними опорными частотами. Иными словами в пределах используемого для принятия решения участка анализируемых частот спектральная плотность изменяется незначительно, и отсутствует необходимость в проведении дополнительного обеления помехи. Эксперименты по обнаружению пловцов, проведенные на волне 4мм с использо­ванием рангового алгоритма в сочетании с узкополосной фильтрацией подтвердили этот вывод. Увеличение скорости движения цели от 0,6м/С до 1,8м/С сопровождается для ал­горитма с обелением помехи снижением на 5...12дб требуемого для ее обнаружения (с вероятностью 0,9) отношения сигнал / помеха. В рассмотренных алгоритмах узкополос­ной доплеровской селекции использовалось для формирования порога среднее либо мак­симальное значение спектральной плотности помехи. Для повышения эффективности алгоритмов узкополосной доплеровской селекции целесообразно использовать различия спектральных характеристик помехи в момент всплесков пауз для улучшения наблюдае­мости сигналов целей в просветах помехи.

-"Гз

а

б

СРРСН'2008

1-ч.1 - 123

Выводы. Использование узкополосной доплеровской селекции сигналов малоско­ростных объектов на фоне отражений от морской поверхности позволяет повысить их радиолокационную наблюдаемость. Целесообразно применение адаптивного управления порога принятия решения, или обеления помехи в сочетании с непараметрическими алго­ритмами обнаружения. Совместная обработка выходных сигналов узкополосных фильт­ров на ортогональных поляризациях приводит к нормализации статистики помехи от мо­ря и повышает эффективность используемых методов селекции и обнаружения.

Литература

1. Кулемин Г.П., Луценко В.И. Обратное рассеяние радиоволн морской поверхно­стью / «Зарубежная радиоэлектроника», М.: 1996, №7, с.16-28.

2. Kirichenko V.A. and Lutsenko V.I. A Technique to Improve the Surface Ship Detect-ability by Noncoherent Scatter Radars / {{Telecommunications and radio engineerings 2001, v55, N10-11, pp.86-99.

СРРСН'2008

1-ч.1 - 124

ОЦЕНИВАНИЕ ПАРАМЕТРА ФОРМЫ ^-РАСПРЕДЕЛЕНИЯ В СМЕСИ ^-РАСПРЕДЕЛЕННОЙ И ГАУССОВСКОЙ ПОМЕХИ

Утюжников А.Н. НИИ «Квант» 03150, Киев, ул.Димитрова 5 The novel method estimates the shape parameter of ^-distributed clutter both in the pres­ence of a Gaussian interference with a known or unknown intensity and with no Gaussian noise added. The method is based on the Kolmogorov-Smirnov goodness-of-fit test and arrives at the estimate by maximization of the Kolmogorov-Smirnov statistics over the range of feasible shape parameter values. The method is fast converging and yields far greater estimation accu­racy than any known method over the range of the shape parameter values encountered in prac­tice while using small data samples of the order of 100. The proposed approach is versatile and can in principle be used for estimating parameters of many types of distributions, the only pre­requisite being the existence of a mathematically tractable cumulative probability function. The performance of the method is verified by Monte-Carlo simulations.

Как известно, помеха от моря или суши при ее наблюдении РЛС с достаточно вы­соким пространственным разрешением при малых углах места не релеевская. Для этого вида помех характерно аномально большое по сравнению с релеевским количество вы­бросов большой амплитуды. Известно также, что имеющиеся экспериментальные данные по помехам от моря и суши хорошо аппроксимируются ^-распределением и/или распре­делением Вейбулла ([1] , [2]).

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59  60  61  62  63  64  65  66  67  68  69  70  71  72  73  74  75  76  77  78  79  80  81  82  83  84  85  86  87  88  89  90  91  92  93  94  95  96  97  98  99  100  101  102  103  104  105  106  107  108  109  110  111  112  113  114  115  116  117 


Похожие статьи

Автор неизвестен - 13 самых важных уроков библии

Автор неизвестен - Беседы на книгу бытие

Автор неизвестен - Беседы на шестоднев

Автор неизвестен - Богословие

Автор неизвестен - Божественность христа