Повышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализа

НАУКА И ВОЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ № 4/2006, стр.

Повышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализа

УДК 621.396.96

Капитан А.В. ГРИНКЕВИЧ,

адъюнкт Военной академии Республики Беларусь

С.А. САВЕНКО,

главный научный сотрудник Научно-исследовательского института

Вооруженных Сил Республики Беларусь,

доктор технических наук, профессор

Большое количество необезвреженных мин и неразорвавшихся боеприпасов, оставленных на полях сражений, влекут гибель огромного числа людей, особенно среди мирного населения. В связи с этим необходима разработка эффективных средств обнаружения и обезвреживания мин. Одним из эффективных и безопасных средств обнаружения мин является подповерхностный радиолокатор. В статье рассматривается возможность использования нетрадиционных методов спектрального анализа для повышения эффективности подповерхностного радиолокатора. Приводятся результаты математического моделирования и экспериментальных исследований.

Применение противоборствующими сторонами средств минирования (противопехотных и противотанковых мин), как семьдесят лет назад, так и сейчас, остается одним из эффективных способов поражения личного состава и техники противника. Опыт последних лет свидетельствует о неуклонно продолжающемся расширении масштабов ведения наземной «минной войны». По данным ООН на брошенных минных полях ежегодно гибнет до 10 тысяч человек и около 20 тысяч получают тяжелые увечья, причем более 30 % жертв - женщины и дети. На территории Республики Беларусь спустя 60 лет после окончания последней войны ежегодно обезвреживается более 10 тысяч взрывоопасных предметов, которые несут опасность людям [1].

Большое количество современных противопехотных и противотанковых мин не содержит металла, и поэтому их обнаружение традиционными металлодетекторами (индукционными миноискателями) малоэффективно. В связи с этим актуальной становится задача разработки современных, эффективных средств обнаружения и обезвреживания мин.

Ряд ведущих компаний мира, в том числе Республики Беларусь, ведет разработку средств поиска мин, основанных на различных методах обнаружения [ 1 ]. Одним из перспективных средств обнаружения мин является подповерхностный радиолокатор.

Подповерхностная радиолокация и компьютерная томография, как метод визуализации внутренней структуры непрозрачных сред, относится к числу наиболее бурно развивающихся областей науки. Томографические средства обработки данных с тем или иным успехом применяются во всех дисциплинах, изучающих взаимодействие проникающих излучений и полей с веществом. Не является исключением и электромагнитные волны (ЭМВ) сверхвысоких частот (СВЧ). По результатам измерения параметров отраженных СВЧ волн и последующей их обработки, могут быть определены форма, положение скрытых объектов (мин), распределение комплексной диэлектрической проницаемости и т. д.

Одной из важнейших современных тенденций развития методов и средств обнаружения заглубленных объектов (мин) является повышение их информативности. С одной стороны, это естественное требование практики, с другой стороны, - технически оно основательно подкрепляется компьютерными технологиями, обеспечивающими недостижимые прежде возможности обработки, хранения и представления информации.

Диэлектрические среды, представляющие практический интерес, такие как почва, строительные конструкции, практически все характеризуются заметным затуханием ЭМВ, быстро возрастающим с частотой. Поэтому для просвечивания исследуемой поверхности на необходимую глубину приходится применять относительно низкие частоты излучения, что приводит к низкой разрешающей способности. Вместе с тем необходимо обнаруживать и идентифицировать малоразмерные объекты, например противопехотные мины.

Для получения высокого разрешения по глубине, при решении задачи обнаружения и идентификации заглубленных объектов, актуальной становится задача применения современных высокоэффективных методов обработки отраженных (рассеянных) сигналов.

Бурное развитие цифровой вычислительной техники значительно расширило сферы приложения спектральных методов к обработке информации, сформировав направление цифрового спектрального анализа (ЦСА). Появление цифровых алгоритмов быстрого преобразования Фурье (БПФ) значительно расширило роль спектрального оценивания, обеспечило практическую реализацию ЦСА в подповерхностных радиолокаторах с непрерывным излучением при формировании радиолокационного изображения исследуемой поверхности [2, 3].

Сейчас для получения радиолокационного изображения исследуемой поверхности в подповерхностных радиолокаторах с непрерывным излучением используются классические методы спектрального анализа, основанные на БПФ с весовым окном обработки [2, 3, 4], существенным недостатком которых является низкое разрешение и большой уровень боковых лепестков в спектральной области. Улучшение спектрального разрешения возможно двумя путями:

использование более широкополосных зондирующих сигналов (ЗС), что накладывает дополнительные требования на передающее, приемное устройства и антенно-фидерный тракт;

использование адаптивных методов спектрального оценивания для формирования радиолокационного изображения исследуемой поверхности.

Существенные отличия в законах распространения сигналов в зондируемой среде вследствие наличия значительных потерь в диэлектрических слоях не позволяет использовать традиционные радиолокационные алгоритмы и методы обработки информации. При этом решающими являются следующие факторы:

наличие в исследуемой среде слоев с резким и плавным изменением диэлектрической проницаемости (например, воздух-грунт, песок-глина и т.д.), которые приводят к искажениям отраженных сигналов;

частотно-зависимые потери зондирующего сигнала, также искажающие сигнал;

необходимость использования антенн, имеющих небольшие размеры и обладающих малой разрешающей способностью.

Преодоление негативных последствий указанных факторов возможно за счет применения специальных алгоритмов обработки, позволяющих улучшить разрешающую способность радиолокатора как по глубине, так и по угловым (продольным) координатам.

Нами будут рассмотрены методы и устройства, позволяющие улучшить разрешающую способность подповерхностного радиолокатора с непрерывным излучением (дискретной перестройкой частоты) по глубине и тем самым повысить его эффективность по обнаружению малоразмерных неметаллических мин.

Принцип его работы заключается в следующем. Синтезатор частоты вырабатывает сигнал, изменяемый по заданному закону, который, проходя через делитель мощности, излучается в пространство. Сигнал, отраженный от 1-й отражающей поверхности, пришедший с задержкой Повышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализа, улавливается приемной антенной. Время запаздывания Повышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализа отраженного сигнала (ОС) определяет глубину (дальность) отражающей поверхности заглубленного объекта. Нахождение оценки времени запаздывания возможно путем классической корреляционной обработки, т. е. произведения отраженного и опорного сигналов с последующим выполнением преобразования Фурье, в результате которого получается радиолокационный глубинный портрет (срез) зондируемого участка поверхности. Положение максимума на оси f полученного радиолокационного глубинного портрета (РГП) характеризует частоту биений f , которая прямо пропорциональна времени запаздывания отраженного сигнала и определяется выражением

Повышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализа

где Δf - диапазон перестройки по частоте (ширина спектра ЗС);

То - длительность ЗС.

Разрешающая способность подповерхностного радиолокатора при классической обработке определяется выражением

Повышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализа

где с - скорость распространения электромагнитной волны в исследуемой среде.

Очевидно, что разрешающая способность радиолокатора ограничена шириной полосы пропускания ЗС, которая, в свою очередь, определяет повышенные требования к конструкции антенной системы и приемно-передающего тракта.

При получении радиолокационного изображения исследуемой поверхности требуемого качества [2, 3, 4] наиболее распространенными являются алгоритмы, основанные на дискретном преобразовании Фурье

Повышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализа

Повышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализа - - результат перемножения опорного и отраженного сигналов;

N - количество дискретных отсчетов и(пТ).

В матричном виде выражение (3), с пересчетом в координаты глубины, записывается следующим образом

Повышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализа

Повышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализа - вектор обзора по глубине;

Н- надстрочный индекс, обозначающий операцию эрмитова сопряжения;

Повышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализа - оценка корреляционной матрицы: сигнал плюс внутренний шум. Здесь М- математическое ожидание, а К- количество временных выборок;

- вектор столбец сигнала и(пТ).

Получение РГП более высокого разрешения по сравнению с (3) возможно при использовании адаптивных методов спектрального оценивания, например методов, основанных на непосредственном обращении корреляционной матрицы (метода максимального правдоподобия, метода минимума дисперсии шума).

Выбор алгоритма, реализующего метод максимального правдоподобия (ММП) [6] или МД-оценки, обусловлен также тем, что можно обеспечить «сверхразрешение» коррелированных сигналов (rli≤0,97), отраженных от поверхностей заглубленного объекта. Существенным преимуществом адаптивного алгоритма является отсутствие необходимости оценивать число отражающих поверхностей. Кроме того, спектральные оценки имеют размерность мощности, а максимумы спектра связаны с мощностями сигналов, отраженных от различных отражающих поверхностей. Достоинством алгоритма является также низкий уровень боковых лепестков, сравнимый с мощностью внутреннего шума каналов обработки и не приводящий к появлению ложных пиков в спектре [5,7].

Соответствующая МД-оценка [6] строится путем нахождения весового вектора опорной частоты А(f), при введении которого результирующий сигналПовышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализаимеет максимальную мощность при ограничении

Повышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализа

В соответствии с выражением (5) алгоритм формирования спектрального портрета заглубленного объекта ММП, при пересчете в координаты глубины, записывается выражением

Повышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализа

Известно, что при большом отношении сигнал/шум алгоритм на основе ММП позволяет разрешать отраженные сигналы значительно лучше, чем классический алгоритм, что подтверждается результатами исследований [4,7]. Однако существуют и другие, практически неизвестные (нетрадиционные) алгоритмы, позволяющие получать РГП еще более высокого разрешения. К ним относятся алгоритмы, основанные на непосредственной оценке весового вектора, определяемого выражением [8, 9]

Повышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализа

Весовой вектор зависит от корреляционной матрицы обрабатываемого сигнала и имеет согласованную с ней размерность. Физически он представляет собой вектор временных весовых коэффициентов для каждой частоты наблюдения. Квадрат модуля весового вектора позволяет получить оценку мощности сигнала в соответствии с выражением

Повышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализа

Возможен вариант получения РГП в сочетании с адаптивной обработкой (6) и (8). При этом сигнал с выхода устройства, реализующего алгоритм непосредственной оценки весового вектора, используется в качестве порогового сигнала

Повышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализа

Соотношения (4-9) в дальнейшем используются при построении радиолокационного изображения исследуемой поверхности, анализе разрешения его спектральных компонент.

Повышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализа

Повышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализа

Повышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализа

Для проведения сравнительного анализа разработанных алгоритмов (4,6,8,9) проводилось математическое моделирование при следующих ограничениях:

диаграммы направленности приемной и передающей антенн согласованы, и электромагнитные волны распространяются перпендикулярно исследуемой поверхности;

паразитный сигнал «просачивания» из передающей в приемную антенну отсутствует;

краевые отражения от боковых поверхностей заглубленного объекта отсутствуют;

скорость распространения ЭМВ считалась постоянной и равнялась скорости распространения в свободном пространстве;

диэлектрическая проницаемость среды и заглубленных объектов постоянна во всем диапазоне частот.

На рисунке 1 представлены одномерные радиолокационные изображения заглубленного объекта (мина ТМ-62), полученные по алгоритмам (4) (см. рисунок 1 а), (6) (см. рисунок 1 б), (8) (см. рисунок 1 в) и (9) (см. рисунок 1 г) при отношении сигнал/шум на входе устройства обработки, равном р =40 дБ.

Адаптивные алгоритмы (6) и (9), в отличие от классического, позволяют увидеть расширение пика, соответствующего сигналу, отраженному от верхней поверхности мины ТМ-62 за счет наличия взрывателя (рисунок 1 б, г), а алгоритм (8) позволяет разрешить сигнал, отраженный от поверхности взрывателя, и сигнал, отраженный от верхней поверхности мины (рисунок 1 в).

Для качественной оценки эффективности функционирования адаптивных алгоритмов производился расчет характеристик обнаружения в соответствии с методикой [10]. Так, на рисунке 2 представлены зависимости правильного и ложного обнаружения одиночного сигнала, отраженного от поверхности заглубленного объекта, для обнаружителей, реализующих алгоритмы (4,6,8,9). Видно, что вероятность правильного обнаружения не зависит от вида обработки, а вероятность ложного обнаружения, напротив, зависит от вида обработки и повышается при увеличении отношения сигнал/шум, являясь максимальной для неадаптивного алгоритма - кривая 1. Это объясняется большим уровнем боковых лепестков радиолокационного изображения, полученного с помощью неадаптивного алгоритма. Для адаптивных алгоритмов (6, 8) повышение вероятности ложного обнаружения при увеличении отношения сигнал/шум незначительно - кривые 2, 3 соответственно, так как они обладают значительно меньшим уровнем боковых лепестков. Алгоритм (9) имеет минимальный уровень боковых лепестков, что позволяет получить вероятность ложного обнаружения, близкую к вероятности ложной тревоги F=103 - кривая 4.

Повышение эффективности подповерхностного радиолокатора на основе нетрадиционных методов спектрального анализаДля повышения эффективности подповерхностного радиолокатора с дискретной перестройкой частоты, структурная схема которого представлена на рисунке 3 [11], необходимо введение специального устройства адаптивной обработки (на рисунке 3 показано серым цветом), в котором реализованы адаптивные алгоритмы спектрального оценивания (6, 8 и 9).

На основе разработанных адаптивных алгоритмов формирования радиолокационного изображения исследуемой поверхности были синтезированы устройства адаптивной обработки, которые отличаются лишь порядком вычисления и учета соответствующих векторов и матриц в соответствии с выражениями (6, 8 и 9).

Для подтверждения основных положений и выводов, выдвинутых при разработке алгоритмов и устройств формирования радиолокационного изображения, были проведены экспериментальные исследования.

В процессе проведения экспериментальных исследований решались следующие задачи:

исследовалась возможность адаптивной спектральной обработки при формировании радиолокационного изображения по реальным сигналам;

проводился сравнительный анализ классической и адаптивной обработки.

Основу для проведения экспериментальных исследований составлял макет подповерхностного радиолокатора, в состав которого входит антенная система (типа Вивальди), векторный спектроанализатор Е5071В и ПЭВМ с программой обработки сигналов. Зондирующий сигнал, представляющий ДПЧ сигнал с диапазоном перестройки частоты в пределах 1 - 5 ГГц, вырабатывался блоком Е5071В и передавался по коаксиальному волноводу на передающую антенну типа Вивальди, с которой облучалась исследуемая поверхность. Передающая и приемная антенны размещались на расстоянии 10 см от поверхности земли. Сигнал, принятый приемной антенной, поступал на векторный спектроанализатор Е5071В, в котором осуществлялось перемножение принятого и опорного сигналов. Полученный сигнал через USB порт поступал на ПЭВМ, где обрабатывался при помощи разработанных моделей алгоритмов.

В качестве заглубленных объектов использовались две мины: противопехотная мина ПМН-2 и пластиковая итальянская противотанковая мина VS-1.6. Мины были установлены на различную глубину в сухой суглинок.

На рисунке 4 а, б представлены подповерхностные профили участка исследуемой поверхности, при проходе по полосе с установленными на глубину 3 см и 10 см минами ПМН-2 и VS-1.6 соответственно.

В подповерхностном профиле, полученном при классической обработке, с трудом можно обнаружить малоразмерную противопехотную мину ПМН-2, так как она маскируется мощным сигналом, отраженным от поверхности земли. А в подповерхностном профиле, полученном при помощи адаптивного алгоритма, можно точно определить глубину установки и ширину как противопехотной мины ПМН-2, так и противотанковой мины VS-1.6, что позволит более точно предсказать тип мины.

Таким образом, результаты математического и физического моделирования подтвердили, что разработанные алгоритмы и устройства позволяют получать более качественные радиолокационные изображения исследуемой поверхности и более точно производить идентификацию установленных мин.

Введение в подповерхностный радиолокатор устройства адаптивной обработки, рисунок 3, реализующего один из разработанных алгоритмов, значительно повысит его эффективность по обнаружению малоразмерных противопехотных мин, снизит требования к ширине спектра ЗС, антенно-фидерному тракту, приемному и передающему устройствам.

ЛИТЕРАТУРА

1. Савенко С.А., Василин Н.Я., Гринкевич А.В. Перспективы использования методов обнаружения мин и взрывчатых веществ // Наука и военная безопасность. - 2006. - № 2. - С. 58-60.

2. Вопросы подповерхностной радиолокации. Коллективная монография / Под ред. А.Ю. Гринева. - М.: Радиотехника, 2005.

- 416 с: ил.

3. Подповерхностная радиолокация / Финкельштейн М.И., Карпухин В.И., Кутеев В.А., Метелкин В.Н. - М.: Радио и связь, 1994. -216 с.

4. Василин Н.Я. Пути повышения эффективности обнаружения современных взрывных устройств подповерхностным радиолокатором// Наука и военная безопасность. - 2005. - № 4.

5. Гейбриел, У. Ф. Спектральный анализ и методы сверхразрешения с использованием адаптивных решеток // ТИИЭР. - 1980.

- Т. 68, № 6. - С. 19-31.

6. Марплмл. С.Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения / Под ред. Рыжака И.С. - М.: Мир, 1990. - 584 с.

7. Василин Н.Я. Гринкевич А.В. Математическое моделирование корреляционного и адаптивного методов получения глубинного портрета в подповерхностных радиолокаторах// Вестник Военной академии. - 2005. - № 4. - С. 87-91.

8. Коуэн К.Ф. Адаптивные фильтры/К.Ф. Коуэн. - М: Мир, 1988. - 380с.

9. Уидроу Б. Адаптивная обработка сигналов / Б. Уидроу, С. Стириз. - М.: Радио и связь, 1989. - 440с.

10. Охрименко А.Е., Основы радиолокации и радиоэлектронная борьба / А.Е. Охрименко. - Ч. 1. - М., 1983. - 438с.

11. Гринкевич А.В., Василин Н.Я. Совершенствование радиолокационного миноискателя// Вестник Военной академии. - 2006. -№2.-С. 89-97


Для комментирования необходимо зарегистрироваться на сайте

  • <a href="http://www.instaforex.com/ru/?x=NKX" data-mce-href="http://www.instaforex.com/ru/?x=NKX">InstaForex</a>
  • share4you сервис для новичков и профессионалов
  • Animation
  • На развитие сайта

    нам необходимо оплачивать отдельные сервера для хранения такого объема информации