Интегрированные многодатчиковые комплексы мониторинга окружающего пространства

Размещено на http://www.allbest.ru/

Акционерное общество «Концерн радиостроения «Вега»

ИНТЕГРИРОВАННЫЕ МНОГОДАТЧИКОВЫЕ КОМПЛЕКСЫ МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕГО ПРОСТРАНСТВА

В.С. Верба, В.И. Меркулов,

Д.А. Миляков, В.С. Чернов



Аннотация

датчик информационный мобильный мониторинг

В статье приводится общая характеристика информационных датчиков, уровней и вариантов их интеграции и возможностей качественного формирования обобщающих сведений об окружающем пространстве в мобильных комплексах мониторинга. Основное внимание уделено анализу режимов функционирования датчиков, рассмотрению современного подхода к трактовке третьего уровня объединения информации (так называемому «сочетанию датчиков / слиянию данных»), а также особенностям интеграции данных от измерительных датчиков с неполной координатной информацией в многопозиционных системах радиомониторинга и проблемам встраивания интегрированных комплексов мониторинга окружающего пространства в сетецентрические информационно-управляющие системы.

Ключевые слова: мониторинг окружающего пространства, информационные датчики, обработка информации, интеграция данных, радиолокационная система, оптико-электронная система, навигационная система, синтезированная апертура, уровень объединения, слияние данных, сетецентрическая система, сервис-ориентированная архитектура, мультиагентные средства.



Abstract

The article provides an overview of information sensors, levels of integration options and features of high-quality formation of generalizing information about the surrounding area in the mobile complex monitoring. Emphasis is placed on the analysis of modes of operation of sensors, consider the modern approach to the treatment of third-level association information (so-called "combination sensor / data fusion"), and especially the integration of data from the measurement sensors with incomplete information in the multi-position coordinate systems and radio monitoring problems embedding integrated complexes monitoring of the surrounding space in network-centric information management systems.

Keywords: monitoring of the surrounding space, information sensors, data processing, data integration, radar system, optical-electronic system, navigation system, synthetic aperture level association, data fusion, network-centric system, service-oriented architecture, multi-agent tools.



Введение

Под интегрированным комплексом мониторинга (ИКМ) окружающего пространства понимают совокупность совместно функционирующих датчиков, средств связи, вычислительных и программных средств, средств управления и индикации, предназначенных для получения информации о различного рода объектах, объединения поступающей информации от датчиков и отображения результирующей информации. Конечной целью функционирования ИКМ является формирование обобщающего представления об окружающем пространстве. Под окружающим пространством при этом будем понимать воздушное, наземное, водное, а иногда и подповерхностное пространства или любая их совокупность, а под объектами - любые сущности материального мира, в том числе, одиночные малоразмерные объекты, групповые объекты, распределенные (площадные и объемные) объекты и т.д.

Важнейшую роль в ИКМ играют информационные датчики, тактико-технические характеристики которых определяют возможности высокоэффективного функционирования ИКМ. К датчикам, обеспечивающим получение информации об окружающем пространстве, относятся:

- системы, получающие информацию на основе анализа электромагнитного поля в различных диапазонах длин волн: оптические датчики, инфракрасные датчики, системы активной локации, системы пассивной радиолокации, радиометрические датчики;

- магнитометрические датчики;

- сейсмические датчики;

- акустические и гидроакустические датчики

и др.

Интегрированная совместная обработка информации, получаемой от нескольких датчиков, позволяет сформировать сводные обобщающие сведения об окружающем пространстве и прогнозе его изменения.

Наиболее широкое применение при мониторинге окружающего пространства нашли рассматриваемые ниже оптико-электронные и радиолокационные датчики. Применение в составе интегрированных комплексов мониторинга этих датчиков значительно повышает возможности ИКМ по помехозащищенности, надежности и точности измерения координат и параметров движения воздушных, наземных и надводных объектов наблюдения и получению высококачественных изображений поверхности Земли.



1. Оптико-электронные системы

Оптико-электронные системы (ОЭС) обеспечивают формирование изображений объектов окружающего пространства на основе приема электромагнитных колебаний оптического диапазона волн. Под оптическим излучением понимают электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от l=10^-3 мкм до l=1 мм [1]. Оптический диапазон подразделяется на ультрафиолетовую область (l=10^-3…0,38 мкм), видимую (l=0,38…0,76 мкм) и инфракрасную (ИК) область (l=0,76...10³ мкм). ИК-область оптического спектра излучения делится на коротковолновый участок (l=0,76...1,5 мкм), средневолновый (l=1,5...20 мкм) и длинноволновый (l=20...10³ мкм). Следует заметить, что границы этих диапазонов и участков являются в значительной степени условными. Так, в [2] ИК-область делится на следующие диапазоны волн: граничные - 15…300 мкм, дальние - 6…15 мкм, средние - 3…6 мкм и ближние - 0,75…3 мкм волны.

В зависимости от диапазона волн ОЭС имеют различные информативные возможности при решении задач мониторинга окружающего пространства.

Пассивные оптико-электронные датчики. К пассивным оптико-электронным датчикам относят телевизионные и тепловизионные. Применительно к летательным аппаратам (ЛА) наиболее известными ИК-системами являются системы FLIR (Forward - Loading Infrared - инфракрасная система переднего обзора) и IRST(Infrared Searchand Traking - ИК-система поиска и сопровождения). Системы FLIR, работающие в диапазоне длины волны 8…13 мкм, стали основным пассивным средством самолетов, обеспечивающих навигацию и обнаружение целей. ИК-система поиска и сопровождения IRST является эффективном пассивным средством обнаружения целей на больших дальностях и в широких зонах. Дальность ее действия может быть сопоставима с дальностью действия некоторых современных бортовых радиолокационных систем (РЛС) обнаружения воздушных целей [1]. Однако систему IRST нельзя рассматривать как замену бортовой РЛС. Обе системы взаимно дополняют друг друга.

Система IRST работает в средней и длинноволновой ИК-области спектра в диапазонах длин волн 3…5 и 8…12 мкм, где атмосферное ослабление оптических волн при нормальных условиях является приемлемым. Система обнаруживает малейшие изменения температуры цели и фона, но функционирование ее в значительной степени зависит от погодных условий. При дожде или густом тумане эффективность системы снижается, поэтому система IRST может быть эффективно использована только при ясной погоде.

Система IRST выполняет многие функции бортовой РЛС, к тому же она в меньшей степени уязвима от средств радиоэлектронного противодействия. Обе системы способны сканировать в широкой зоне обзора, обнаруживать и сопровождать цели. РЛС обеспечивает точное измерение дальности, тогда как система IRST, являясь пассивной, не может определять дальности до объектов. В то же время система IRS выдает более точную информацию об азимуте и угле места и обладает большей способностью по распознаванию объектов.

В сочетании с приемником предупреждения о радиолокационном облучении система IRST может быть использована для получения точной информации об азимуте и угле места источников угрозы. При отсутствии радиолокационного облучения система IRST может оказаться единственным пассивным средством обнаружения угрозы. Система IRST также может быть использована в качестве системы предупреждения о приближении атакующих ракет.

Между ИК-системой FLIR, используемой для обнаружения наземных целей и навигации, и системой IRSTсуществует ряд различий. Так, за счет более низкой частоты сканирования система IRST обеспечивает более длительный процесс накопления сигналов, необходимый для дальнего обнаружения.

Система FLIR может работать с полем зрения, не превышающим , обеспечиваемым индикатором на лобовом стекле ЛА. Система IRST должна иметь широкое поле зрения около , для того чтобы осуществлять поиск целей в возможно более широком секторе обзора. Другим важным различием двух систем являются разные требования к цифровой обработке данных. Для системы FLIR может не требоваться никакой обработки, если изображение воспроизводится непосредственно на индикаторе, или требоваться обработка небольшого объема для улучшения качества изображения и обеспечения наведения средств поражения на цель. Для системы IRST необходима скорость обработки данных около 30…40 млн. операций/с для подавления помех и сопровождения реальных целей [1].

С технической точки зрения система IRST является более сложной, однако она может выполнять функции обычной системы FLIR и работать как комбинированная система FLIR/IRST для пассивного наблюдения, сопровождения и распознавания целей, навигации, а также обеспечения наведения оружия на наземные цели и посадки.

В настоящее время все более широкое применение находят многоспектральные оптико-электронные датчики. Преимуществом использования нескольких ОЭ/ИК-датчиков является их взаимодополняющий характер: если некоторые датчики «деградируют», например, из-за поглощения в атмосфере, снижения уровня освещенности или суточных эффектов, то другие могут обеспечить получение четкого изображения.

У каждого диапазона волн и связанной с ним технологии реализации датчика есть свои преимущества и недостатки [3]. Так, неохлаждаемый длинноволновый ИК-датчик (LWIR) потребляет небольшое количество энергии, имеет неплохие характеристики при обнаружении целей и хорошо работает в полной темноте. Однако идентификация целей представляет определенные трудности, так как получаемые изображения в этом диапазоне волн имеют недостаточную детальность. Датчик коротковолнового ИК-диапазона (SWIR 1…2,6 мкм) подходит для идентификации цели и может хорошо видеть во время «теплового перераспределения», когда солнце восходит и заходит и нагревает или охлаждает Землю. Однако его способности к обнаружению не столь эффективны, как у LWIR, и он не работает в полной темноте [3].

Телевизионные (ТВ) системы, работающие при низких уровнях освещенности. Изображение, получаемое с помощью этих ТВ систем и выдаваемое на индикатор на лобовом стекле, в условиях однородных температур и высокой влажности значительно лучше, чем у системы FLIR.

ТВ системы имеют следующие преимущества [1]:

- отсутствие необходимости охлаждения системы;

- отсутствие проблем, связанных с температурными пересечениями;

- возможность наложения на изображение полетных данных.

ТВ системам свойственны и определенные недостатки [1]:

- присутствие эффекта расплывания изображения;

-существенные ограничения по освещенности;

- наличие свойства непрямого видения, приводящее к необходимости отображения изображений на специальном индикаторе.

Лазерные локаторы. Принцип работы лазерного локатора аналогичен принципу работы обычной активной РЛС и заключается в измерении в поле зрения объектива расстояния до каждой точки пространства и углового направления на цель. Однако в отличие от обычной РЛС, лазерный локатор имеет более высокую разрешающую способность, поскольку длина рабочей волны у него значительно меньше. Это позволяет осуществлять обнаружение таких малоразмерных объектов, как провода линий электропередачи. Подобно тепловизионным системам FLIR, лазерный локатор может работать и при отсутствии дневного света, однако в отличие от подобных систем, он может обеспечивать получение трехмерного изображения. В лазерном локаторе путем выделения доплеровского смещения частоты импульсных отраженных сигналов можно обнаружить движение объекта.

Основным фактором, ограничивающим возможности применения лазерного локатора, является небольшая дальность действия. Лазерное излучение значительно ослабляется атмосферой. Максимальная дальность для случая работы в чистой атмосфере может достигать 10 км [1], однако при наличии облаков или дымки дальность действия в общем случае соответствует дальности действия тепловизионной системе FLIR. При обычной тактической обстановке при сканировании земной поверхности на расстоянии 3…5 км впереди самолета как лазерный локатор, так и система FLIR эффективны при нахождении самолета ниже кромки облаков, если нет густого тумана.

Эффективность работы лазерного локатора и системы FLIR при наличии дымки или легкого тумана отличаются тем, что изображение, получаемое с помощью системы FLIR, теряет четкость постепенно при ухудшении погодных условий, в то время как лазерный локатор обеспечивает получение четкого высококонтрастного изображения, пока принимаются отраженные лазерные сигналы.

Явление ослабления сигналов в атмосфере имеет очень важный побочный эффект: вследствие существенного ослабления сигналов с увеличением расстояния и отсутствия боковых лепестков у лазерного луча функционирование лазерного локатора весьма сложно обнаружить и создать ему помехи.

К недостаткам лазерных локаторов относятся длительность процесса обнаружения целей в тех случаях, когда обзору подлежит большое пространство, и высокие требования к точности сопровождения лоцируемых объектов. Объясняется это чрезвычайной узостью лазерного луча.



2. Радиолокационные системы

Важнейшим базовым элементом интегрированных комплексов мониторинга окружающего пространства являются РЛС. Особая роль РЛС обусловливается их способностью обнаруживать цели на значительно больших дальностях по сравнению с ОЭС, а также обнаруживать цели и получать радиолокационное изображение (РЛИ) поверхности Земли днем и ночью в любых погодных и метеорологических условиях.

Ниже рассматриваются возможности РЛС по мониторингу воздушного, наземного и водного пространств применительно к бортовым РЛС, установленным на ЛА. Особенностью бортовых РЛС является то, что они, как правило, являются многофункциональными. Наряду с мониторингом окружающего пространства они решают целый ряд других весьма сложных и ответственных задач, связанных с целевым предназначением конкретных типов ЛА.

2.1 Мониторинг воздушного пространства

РЛС современных ЛА при решении задачи мониторинга воздушного пространства обеспечивают [4, 5]:

- поиск, обнаружение и опознавание (совместно с системой государственного опознавания) воздушных объектов (целей);

- разрешение, измерение координат и параметров движения обнаруженных воздушных целей в различных режимах функционирования;

- распознавание типов и классов воздушных целей.

Существующие импульсно-доплеровские РЛС осуществляют эффективное обнаружение воздушных целей как на фоне отражений от поверхности Земли, так и в свободном пространстве с одновременным измерением дальности, угловых координат цели и радиальной скорости ее движения. В настоящее время в РЛС находят применение следующие режимы излучения импульсных сигналов: с высокой (ВЧП), средней (СЧП) и низкой (НЧП) частотами повторения импульсов.

В режиме излучения зондирующих импульсов с ВЧП обеспечивается эффективное обнаружение воздушных целей (ВЦ), движущихся на встречных и встречнопересекающихся курсах. Это обусловлено наличием в спектре сигналов, отраженных от поверхности Земли, «свободной» зоны, в пределах которой находятся составляющие доплеровских смещений частот сигналов, отраженных от ВЦ. В этом случае обнаружение осуществляется на фоне только внутренних шумов.

При обнаружении целей на догонно-пересекающихся курсах, т.е. в задней полусфере режим излучения зондирующих сигналов с ВЧП, как правило, не применяется, так как эффективность обнаружения целей резко падает вследствие того, что спектральные составляющие сигнала, отраженного от цели, располагаются в области мешающих отражений от земной поверхности. Для обнаружения подобных целей используется режим излучения с СЧП. Режим излучения зондирующих импульсов с СЧП может быть использован и при обнаружении целей в передней полусфере, однако эффективность обнаружения в этом случае, по сравнению с режимом ВЧП, ниже. В то же время, если ракурс цели неизвестен, то предпочтительнее использовать режим излучения с СЧП.

В режиме излучения импульсов с НЧП осуществляется однозначное измерение дальности. Однако измерение радиальных скоростей движения целей сопряжено с большой неоднозначностью. Данный режим при наблюдении ВЦ в свободном пространстве (главный луч диаграммы направленности отклонен вверх относительно продольной оси ЛА) имеет наименьшие потери энергии при обработке сигналов. Однако при наблюдении целей в нижней полусфере (главный луч диаграммы направленности отклонен вниз относительно продольной оси ЛА) на фоне мешающих отражений от Земли дальность обнаружения ВЦ весьма мала [4].

При мониторинге воздушного пространства основными режимами функционирования РЛС являются режимы обзора пространства и автоматического сопровождения целей с излучением зондирующих импульсов с ВЧП и СЧП.

В режиме «Обзор» осуществляется поиск, обнаружение и опознавание целей в заданной области пространства. В настоящее время наибольшее распространение получил растровый способ обзора пространства, при котором осуществляется последовательный построчный просмотр главным лучом антенны всех элементов разрешения в зоне поиска. В перспективных РЛС возможен параллельный или последовательно-параллельный виды обзора, что сокращает время просмотра зоны поиска целей. Однако при этом в РЛС необходимо использовать фазированные антенные решетки и многоканальные приемники.

Первоначально обнаружение цели в режиме «Обзор» осуществляется с грубой оценкой ее координат. После этого проводится определение государственной принадлежности цели. Как правило, для решения задачи опознавания используются специальные РЛС, построенные на принципах активной радиолокации с активным ответом, сопрягающиеся с бортовой РЛС ЛА.

В РЛС для одновременного сопровождения нескольких целей по дальности, скорости и угловым координатам без выхода из режима «Обзор», предусмотрен режим «Автоматическое сопровождение целей в режиме обзора» («Сопровождения целей на проходе» при механическом обзоре) [6]. Точность измерения координат целей при этом существенно повышается.

2.2 Мониторинг наземной (надводной) обстановки

Для достижения высокой эффективности ИКМ бортовые РЛС в режимах работы «воздух-поверхность» должны обеспечивать [4, 5]:

- формирование радиолокационного изображения земной поверхности;

- обнаружение и измерение координат наземных (надводных) неподвижных и движущихся целей;

- информационное обеспечение распознавания целей;

- обнаружение объектов, скрытых в лесных массивах и находящихся под землей.

Для решения указанных задач существующие РЛС имеют режимы картографирования наземных объектов и селекции (обнаружения, сопровождения и индикации) наземных движущихся целей.

Картографирование. Режимы картографирования служат для получение РЛИ земной поверхности, обнаружения и оценивания координат ориентиров и целей.

Поиск и обнаружение целей и ориентиров, обзор земной поверхности с помощью РЛС может вестись либо в широкой зоне по азимуту и дальности для контроля большой площади и выбора района наблюдения, либо в узкой зоне для более детального изучения интересующего района мониторинга. Небольшой участок местности контролируется, как правило, при решении задач обнаружения малоразмерных объектов и их классификации. Для выполнения поиска, обнаружения, выбора объекта наблюдения в РЛС реализуется несколько режимов картографирования: с реальным лучом, с доплеровским обострением луча (ДОЛ), с фокусированной синтезированной апертурой (ФСА), которые отличаются значениями разрешающей способности РЛС.

В режиме картографирования реальным лучом обеспечивается получение условного радиолокационного изображения, не связанного с ограничениями на курсовой угол цели. Однако разрешающая способность по азимуту при картографировании реальным лучом определяется шириной диаграммы направленности антенны и не позволяет обнаруживать малоразмерные цели с больших расстояний.

Для повышения качества РЛИ местности применяют картографирование с ДОЛ. В этом режиме осуществляется сканирование антенной по углу, поэтому данный режим также называется секторным обзором (СО). Картографирование с ДОЛ позволяет получить РЛИ местности с разрешением на порядок лучше, чем при картографировании реальным лучом. Однако при этом впереди по курсу ЛА имеется «слепая» зона.

Режим картографирования с ФСА (полосовой или телескопический) предназначен для получения радиолокационного изображения земной поверхности, по своей детальности приближающегося к оптическим изображениям. При полосовом (передне-боковом - ПБО) обзоре ось реальной диаграммы направленности антенны ориентируется под заданным углом к линии пути ЛА, причем этот угол постоянен в течение всего времени формирования РЛИ заданной зоны обзора. Формирование РЛИ участка поверхности Земли осуществляется либо построчно по мере пролета картографируемой местности, либо в виде отдельных кадров, которые стыкуются между собой. Максимальное разрешение по азимуту имеет место при чисто боковом обзоре (БО) и равно d_а/2, где d_а - размер реальной антенны по азимуту.

Телескопический обзор (ТО) применяется при необходимости многократного наблюдения одного и того же участка поверхности Земли, например, при выполнении наблюдения за малоразмерными объектами. При этом участок поверхности, представляющий интерес, должен полностью помещаться внутри реальной диаграммы направленности антенны, а его РЛИ формироваться при обработке траекторного сигнала на одном интервале синтезирования. В ТО обеспечивается линейное разрешение порядка одного метра и выше, что позволяет получить РЛИ местности, близкое по качеству к аэрофотоснимкам. Особенностью этого режима является необходимость поддержания курсового угла цели более и осуществление обзора местности справа или слева от ЛА в зависимости от характера выполняемого задания.

Среди комбинированных режимов наибольшее применение находит секторно-телескопический обзор, при котором в течение одного интервала синтезирования обеспечивается ТО, после поворота диаграммы направленности на ширину луча вновь выполняется ТО и так далее. Полученные при таком обзоре парциальные кадры РЛИ стыкуются между собой.

Рассмотренные выше «простые» виды обзора земной поверхности (ПБО, ТО и СО) обладают набором свойств, которые позволяют для эффективного решения любой конкретной задачи выбрать наиболее подходящий. Так, ПБО (БО) дает возможность сформировать практически бесконечную зону просмотра по азимуту, но имеет ограничение по разрешающей способности. Телескопический режим снимает ограничения на разрешение, но имеет ограниченную зону просмотра. Секторный обзор при минимальном интервале съемки позволяет получить максимальную ширину зоны захвата, однако расширение зоны захвата достигается за счет снижения разрешающей способности.

Следует отметить, что эффективность функционирования РЛС ЛА в существенной степени зависит от выбранного частотного диапазона излучения радиоволн. В существующих РЛС при обзоре земной поверхности применяются миллиметровый, сантиметровый, дециметровый и метровый диапазоны волн. Использование дециметрового и метрового диапазонов волн является целесообразным при необходимости обнаружения малоразмерных целей под листвой, под камуфляжем, а также при «просвечивании» зданий, картографировании городской застройки, обнаружении изменения состояния объектов в зданиях.

Режим селекции (обнаружения, сопровождения и индикации) наземных движущихся целей обеспечивает обнаружение и измерение координат этих целей в режиме картографирования. В настоящее время в этом режиме решается целый ряд взаимосвязанных задач на различных уровнях [7]:

- обнаружение только движущихся с радиальной скоростью объектов при подавлении сигналов всех других объектов и фона местности;

- обнаружение только движущихся объектов с измерением их координат (дальность-азимут) и радиальных скоростей;

- обнаружение только движущихся объектов с измерением их координат и векторов скорости (радиальной и тангенциальной составляющих);

- обнаружение одновременно только движущихся и неподвижных объектов с измерением их координат и векторов скорости с индикацией на фоне радиолокационного изображения земной поверхности.

При решении последней задачи в РЛС выполняется раздельная обработка принятых сигналов, позволяющая получить обычное РЛИ местности и отметки движущихся целей. Отметки движущихся целей на индикаторе совмещаются с РЛИ местности для обеспечения ориентации.

При обнаружении движущихся объектов используются специальные алгоритмы и устройства их реализации. Алгоритмы селекции основаны на различиях пространственно-временных характеристик сигналов, отраженных от движущихся и неподвижных объектов.

Одним из наиболее эффективных является алгоритм адаптивной пространственно-временной обработки сигналов (STAP), позволяющий обнаруживать, в частности, движущихся пешеходов.

Принято считать STAP одним из алгоритмов линейной адаптивной фильтрации, предназначенным для обработки данных наблюдений в пространственно-временной области с целью улучшения определенных характеристик сигнала, в частности при выполнении задачи обнаружения движущихся объектов на фоне мешающих отражений от земной поверхности и неподвижных наземных объектов (пассивных помех).

В STAP-системах обычно используется антенна с электронным сканированием, имеющая несколько приемных каналов [8]. Пространственный канал антенны образуют следующие элементы: подрешетка, состоящая из совокупности антенных элементов, радиочастотный сумматор, приемник и аналого-цифровой преобразователь. Многоканальная антенная решетка производит пространственную дискретизацию распространяющейся плоской волны путем измерения разности фаз между сигналами в приемных каналах. Ниже для простоты изложения метода STAP предполагается, что антенная решетка является линейной, а бортовая РЛС принимает периодическую последовательность из N отраженных радиоимпульсов с периодом повторения Т, используемую для дискретизации радиолокационных сигналов во временной области. В результате приема радиосигналов, поступающих от точечного отражателя и имеющих определенные значения пространственной и доплеровской частот, в РЛС формируется пространственно-временной вектор комплексных отсчетов (данных). Напомним, что значение пространственной частоты для узкополосного радиосигнала определяется выражением:

где d - шаг М-канальной линейной антенной решетки (расстояние между центрами подрешеток); л - длина волны; ц и - азимутальный угол и угол места соответственно, характеризующие положение единичного вектора, нормального относительно фронта падающей плоской радиоволны.

Для наглядного представления области данных при описании пространственно-временной обработки сигналов используется так называемый куб данных. Отдельный куб данных соответствует единичному интервалу когерентной обработки сигналов. Каждая строка куба соответствует одному из М приемных каналов, каждый столбец - одному из N временному отсчету импульсов, а L дальностных отсчетов образуют третье измерение куба. Количество L дальностных отсчетов для сигналов с низкой частотой повторения определяется разрешающей способностью и максимальной дальностью РЛС. Каждая «страница» куба данных соответствует одной ячейке дальности. Для l-го элемента дальности можно получить пространственно-временной кадр путем расположения каждого следующего столбца под предыдущим. Пространственно-временной кадр представляет собой вектор данных длины NM.

Используя данный формат, процессор обработки может формировать диаграмму направленности антенны по столбцам, а доплеровскую обработку вести по строкам куба. Следует отметить, что отражения от земной поверхности, соответствующие l-му элементу дальности, представляют собой результаты когерентного суммирования сигналов множества рассеивающих центров в пределах элемента разрешения по дальности.

Пространственно-временная адаптивная фильтрация предполагает взвешивание компонентов l-го кадра данных с формированием на выходе скалярной величины [8]:

(1)

где «*» обозначает операцию коплексного сопряжения, а индекс «Н» - сопряжение по Эрмиту, - вектор весовых коэффициентов размера NM, а - вектор принятого сигнала, представляющего собой линейную сумму полезного и помехового сигналов. Операция скалярного произведения (1) может реализовываться фильтром с конечной импульсной характеристикой.

Основной целью пространственно-временной обработки является получение максимального значения отношения сигнал-помеха на выходе, что приводит к максимизации вероятности правильного обнаружения цели. Для этого оптимальный вектор весовых коэффициентов должен иметь вид [8]

, (2)

где - скалярная величина, - ковариационная матрица помехового сигнала.

Алгоритм STAP представляет собой реализацию в некоторой области данных оптимального фильтра с вектором весовых коэффициентов, определяемым выражением (2). На практике компоненты ковариационной матрицы и полезного сигнала в (2) обычно не определены. Процессор обработки заменяет эти компоненты их оценочными значениями, получая, таким образом, адаптивный вектор весовых коэффициентов:

, (3)

где «^» означает оценочное значение для скалярной величины , матрицы и вектора . Этот метод называется обращением матрицы отсчетов (sample matrix inversion (SMI)).

Наиболее часто для вычисления оценочной ковариационной матрицы используется выражение

. (4)

Вектор содержит вторичные или обучающие данные. Если все обучающие данные являются независимыми и одинаково распределенными относительно нулевой гипотезы (отсутствие цели), определяемой для анализируемого кадра данных, то при выборе средний уровень потерь на выходе процессора составит примерно 3 дБ. Чтобы избежать «самообеления» цели, процессор исключает анализируемый элемент дальности, а также несколько смежных элементов из набора обучающих данных. Потери определяются отличием реальной ковариационной матрицы помехи от полученной оценочной ковариационной матрицы (4).

Оценки компонент полезного сигнала, необходимые для расчета вектора весовых коэффициентов (3), вырабатываются процессором на основании данных о положении антенной решетки и параметрах импульсной последовательности для серии дискретных точек на частотах, близких к пространственной и доплеровской частотам, представляющим интерес при проверке наличия движущихся целей.

За оценку параметра в рекомендуется выбирать величину [8]

,

а в качестве тестовой статистики адаптивного согласованного фильтра (adaptive matched filter (AMF)) равенство

.

Основным ограничением применения метода STAP являются значительные затраты вычислительных ресурсов системы, а также использование при адаптации малого числа обучающих кадров данных. Поэтому разработано несколько альтернативных методов STAP, основанных на уменьшении размерности обрабатываемых данных или использовании метода аппроксимации ковариационной матрицы помехи низкого ранга. Хотя обычно эти методы показывают высокую эффективность, существуют некоторые проблемы их применения на практике. К ним относятся пониженная способность подавления помех, ухудшенные характеристики по минимальному значению скорости обнаруживаемых движущихся целей, возможное отрицательное влияние на процесс измерения азимутов целей, а при использовании метода с понижением ранга также значительные затраты вычислительных ресурсов системы на процедуру численного разложения ковариационной матрицы помех, а также определения ранга матрицы [8].

Следует отметить, что возможна реализация двумерной (угол-доплеровская частота) STAP в частотной области. Если не учитывать потери при аподизации, то анализ в частотной области обеспечивает эффективность системы не хуже, чем при обработке в пространственно-временной области.

При реализации метода STAP кроме алгоритма AMF можно использовать и другие алгоритмы, например, алгоритм, полученный на основе обобщенного критерия отношения правдоподобия, и алгоритм функционирования адаптивного устройства оценки когерентности [8].

Отметим, что существующие методы селекции движущихся целей (СДЦ), которые оценивают только радиальную скорость объекта, позволяют выделить не более 60% движущихся наземных объектов военной техники [7]. Введение режима СДЦ по тангенциальной скорости позволяет селектировать до 80…90 % таких объектов. Основой этого режима является формирование динамического фазового портрета объектов, для чего необходимо введение дополнительного канала синтезирования, в роли которого может выступать выходной сигнал, сформированный другой, смещенной по траектории, апертурой или апертурой другой длительности.

Режим обнаружения морских целей (режим «Море»). При обзоре морской поверхности на бортовую РЛС помимо задач, выполняемых в режиме обзора земной поверхности, возлагается решение ряда дополнительных задач [5, 9, 10]:

- обнаружение надводных морских объектов как движущихся, так и неподвижных на дальностях прямой видимости в передней полусфере. В качестве таких объектов могут выступать как крупные морские объекты: авианосцы, крейсера, танкеры, так и малозаметные: катера, рубки и перископы погруженных подводных лодок;

- обнаружение неоднородностей морской поверхности, вызванных различными физическими причинами: нефтяными пятнами, следовыми аномалиями движущихся морских объектов и т.п.;

- измерение параметров морского волнения.

Для получения высокодетальных изображений надводных кораблей в условиях качки используется режим инверсного синтезирования. Данный режим позволяет осуществлять синтезирование апертуры антенны не за счет движения носителя РЛС, а за счет движения облучаемой цели. При этом речь идет не о поступательном движении, характерном для наземных объектов, а о маятниковом движении, характерном для плавучих объектов, раскачивающихся на волнах.

Следует подчеркнуть важность реализации этого режима при наблюдении морских целей, который имеет ряд преимуществ по сравнению с прямым синтезированием. Прежде всего, это возможность получения высокого разрешения в передней зоне обзора РЛС с синтезированной апертурой (РСА), так как необходимое угловое разрешение синтезированной апертуры обеспечивается за счет собственного движения (перемещения и вращения) цели. Кроме того, обратное синтезирование позволяет получить высокое разрешение не только в плоскости «дальность-азимут», но и в плоскости «дальность-угол места». Применительно к наблюдению морских целей (кораблей) это дает возможность сформировать изображение надстроек кораблей, что особенно важно при решении задач распознавания морских целей.

При радиолокационном наблюдении морской поверхности с целью обнаружения неоднородностей морской поверхности и измерения параметров морского волнения вводится специальный режим работы РСА - формирование изображения распределения скоростей морской поверхности с высоким пространственным разрешением, получивший название режима скоростного портрета [11]. В этом режиме выполняется анализ характеристик (структуры и интенсивности) двух составляющих скоростного распределения: регулярных волновых структур, интервал пространственной корреляции которых превышает разрешение РСА, и случайной (турбулентной) составляющей скоростного распределения с интервалом корреляции меньшим разрешения РСА. В результате использования скоростного информационного признака существенно повышается эффективность обнаружения и идентификации различных процессов, возникающих на морской поверхности.

Поляризационный режим. Эффективность распознавания при картографировании может быть существенно повышена за счет привлечения дополнительной информации о поляризационных характеристиках функции отражения, которая наблюдается в виде электромагнитной волны в раскрыве приемной антенны РЛС и определяется не только свойствами объекта, но и условиями ее формирования, т.е. системой сигналов в процессе облучения.

Поляризационные характеристики функции отражения чувствительны к таким свойствам объекта как: геометрическая форма объекта, ориентация неоднородностей структуры объекта, наличие анизотропных отражателей, структура шероховатостей поверхности объекта, диэлектрическая постоянная материала объекта. Сигналы, отраженные от объектов с различными деполяризующими свойствами, даже если они находятся в одном элементе разрешения, могут быть полностью разделены в системе обработки поляриметрической РЛС при их представлении в различных поляризационных базисах: линейном и круговом.

Так, формирование изображений по элементам поляризационной матрицы рассеивания (ПМР), измеренной в линейном базисе, позволяет выделить объекты с преобладанием в составе отраженного сигнала поляризационных составляющих на основной или кроссовой поляризации, которые зависят от формы и ориентации объекта в пространстве. Однако изображение, полученное при измерении ПМР в линейном базисе, недостаточно. Более полно механизм деполяризации сигнала элементарными отражателями в составе сложной цели отображается в круговом поляризационном базисе.

Режим радиолокационной интерферометрической съемки. Одним из новых направлений решения задачи повышения информативности радиолокационных измерений при зондировании земной поверхности считается формирование и использование трехмерных радиолокационных изображений земной поверхности, полученных в результате интерферометрической съемки. С помощью таких изображений обеспечивается построение цифровых карт местности, обнаружение замаскированных целей и автоматическое распознавание распределенных наземных целей.

Основным источником информации при радиолокационной интерферометрической съемке является относительный сдвиг фаз между сигналами, принятыми на пространственно разнесенные антенны. Известны следующие способы радиолокационной интерферометрической съемки [7]:

- съемка с ориентацией базы интерферометра (расстояния между двумя антеннами, установленными на борту носителя) поперек либо вдоль трассы полета;

- съемка РЛС с близких повторяющихся траекторий носителя, расстояние между которыми составляет базу синтезируемого интерферометра;

- съемка РЛС с одной антенной в режиме телескопического обзора с прямолинейной траекторией носителя, на которой формируется синтезированная интерферометрическая база.

Режим обнаружения объектов, скрытых в лесных массивах. В радиолокационных системах, предназначенных для обнаружения объектов, скрытых в лесных массивах, приходится учитывать, что для растительных покровов в зависимости от диапазона волн возможны разные механизмы формирования отраженного сигнала [12]. Для коротких сантиметровых волн (K_u-,X-,C-диапазоны) основное отражение формируется зеленой массой, причем в случае интенсивной растительности - ее верхним слоем. На более длинных волнах (S и L-диапазоны) лиственный покров оказывается более «прозрачным» за счет уменьшения уровня отражения и затухания в листве. Отраженный сигнал образуется в результате объемного рассеивания, частично от листвы, частично от древесной массы (стволов), а также отражения от поверхностного слоя почвы. В длинноволновом дециметровом (Р-диапазон) и метровом диапазонах отражение формируется в основном древесной массой, почвой, а также подпочвенным слоем. Мощность отраженного сигнала зависит от объема биомассы, содержания влаги, определяемых типом растительности, фазой вегетации и сезонными изменениями, а также от длины волны РЛС и поляризации излучения.

Для обнаружения и слежения за стационарными и движущимися объектами, скрытыми кронами деревьев, используются режимы работы РЛС с фокусированным синтезированием апертуры. Съемка объектов, скрытых в лесных массивах, ведется аналогично обычной съемке в двух режимах: обзорном и детальном.

Режим обнаружения объектов, находящихся под землей. Для решения задач обнаружения объектов, находящихся под землей, применяются РЛС подповерхностного зондирования («проникающие» РЛС).

Известно [12], что системы подповерхностного зондирования с обычными импульсными сигналами позволяют обнаруживать находящиеся на различной глубине пустоты, трещины, заглубленные объекты, выявлять участки различной плотности. При этом энергия отраженного сигнала сильно зависит от поглощающих свойств почвы, размеров и формы цели, степени неоднородности граничных областей. Основным военным назначением подповерхностного зондирования является обнаружение заложенных мин, что позволяет непосредственно вскрывать карты минных полей. Помимо военно-прикладной направленности данная технология имеет важное народно-хозяйственное значение. В частности, с помощью РЛС подповерхностного зондирования можно осуществлять диагностику дорожных покрытий и взлетно-посадочных полос аэродромов, грунтов под строительные площадки, подземных коммуникаций, локальных неоднородностей в грунте, утечек из подземных хранилищ топлива, уровня грунтовых вод, контроль газо- и нефтепроводов, а также проведение геофизических и т.п. исследований.

В заключение отметим, что важная роль в ИКМ принадлежит навигационным системам (датчикам информации), главным образом инерциальным системам и глобальным спутниковым радионавигационным системам. Объясняется это тем, что ИКМ по существу представляют собой геоинформационные системы. Под геоинформационными системами понимают системы, предназначенные для сбора, хранения, анализа и графической визуализации пространственных данных [13]. Они позволяют проводить обработку и обобщение пространственно-распределенных данных, обеспечивают интеграцию данных и знаний о территории или объектах для их использования при решении задач прогнозирования и выработки управляющих решений.

Отличительная особенность геоинформационных систем состоит в том, что в них обобщенные данные об окружающем пространстве отображаются в одной из систем координат, связанных с Землей. Для этого данные, полученные оптико-электронными и радиолокационными датчиками, должны быть с помощью данных навигационных датчиков пересчитаны в систему координат, используемую в геоинформационной системе.

Основным достоинством инерциальных систем является их автономность, большая дальность действия и неподверженность воздействию электромагнитных помех, а недостатком - низкая точность измерения навигационных параметров. Спутниковые радионавигационные системы отличаются глобальностью применения, высокой точностью оценивания координат и параметров движения носителя ИКМ, но они уязвимы к действию преднамеренных радиопомех. В настоящее время совершенствованию инерциальных и спутниковых радионавигационных систем во всем мире уделяется большое внимание.



3. Общие сведения об интеграции датчиков

Для формирования сводных обобщающих сведений об окружающем пространстве и прогнозе его изменения в ИКМ осуществляется интегрированная совместная обработка информации, получаемой от нескольких датчиков.

Под интеграцией в технике обычно понимают информационное, функциональное, программное и конструктивно-технологическое (аппаратурное) объединение в единое целое базовых элементов комплекса оборудования на основе вычислительной системы [14].

В общем случае интеграция характеризуется уровнем и степенью. Уровень определяется перечнем базовых элементов, на основе которых осуществлена интеграция, а степень - количеством интегрируемых элементов, числом иерархических уровней интегрированной системы, числом используемых вариантов совместной обработки информации и числом возможных реконфигураций интегрированной системы.

В интегрированных комплексах мониторинга окружающего пространства можно выделить условно три уровня обработки информации и три варианта управления информационными потоками.

На нижнем уровне информация комплексируется в рамках первичной обработки сигналов в составе одного базового элемента (датчика), например, многофункциональной РЛС.

На среднем уровне комплексирование осуществляется в рамках вторичной обработки в процессе использования оценок состояния внутри того или иного бортового комплекса (радиолокационного, оптико-электронного, навигационного и т.д.).

На верхнем уровне в рамках третичной обработки комплексируется информация, поступающая от всех бортовых комплексов.

По вариантам управления информационными потоками выделяют уровень интеграции внутри носителя информационных датчиков, уровень интеграции в рамках многопозиционных (территориально распределенных) систем мониторинга и уровень интеграции в рамках глобальной сетецентрической информационно-управляющей системы.

Спецификой первого уровня является то, что наряду со всеми информационными комплексами сам носитель рассматривается как элемент интегрированной системы радиоуправления. Такой подход базируется на использовании алгоритмов траекторного управления наблюдением, при котором траектория полета носителя (самолета, корабля и т.д.) обеспечивает не только достижение конечной цели, но и наилучшие условия для радиолокационного наблюдения.

Интеграция в рамках многопозиционной системы мониторинга (МПСМ) позволяет еще более улучшить большинство ее системных показателей: эффективность, живучесть и информативность. Спецификой этого уровня интеграции является:

- появление еще одного более высокого уровня иерархии, на котором осуществляется распределение функций между носителями (ударные, информационные и т.д.);

- управление способами информационного взаимодействия: активный, полуактивный, пассивный, комбинированный;

- управление пространственным положением позиций (носителей), наилучшим способом обеспечивающим решение тактических и информационных задач;

- необходимость согласованной синхронизации аппаратуры на различных позициях;

- комплексная обработка информации в условиях неодновременного, в том числе и случайного прихода измерений.

Наиболее сложным и информативным уровнем интеграции является использование глобальных сетецентрических сетей. Спецификой этой разновидности интегрированных систем является организация сбора и совместной обработки информации от большого количества корреспондентов и организация приоритетного доступа к ней потребителей. В связи с этим резко возрастает роль радиолиний обмена информации и объединение всех видов радиосвязи в единую радиосеть.

Ниже приводятся общие сведения о процессах объединения информации на указанных уровнях, при этом основное внимание уделено рассмотрению современного подхода к трактовке третьего уровня объединения (так называемому «сочетанию датчиков/слиянию данных»), а также особенностям интеграции данных от измерительных датчиков с неполной координатной информацией в многопозиционных системах радиомониторинга и проблемам встраивания интегрированных ИКМ в сетецентрические информационно-управляющие системы.

На нижнем уровне обработки информации осуществляется так называемая первичная обработка информации, под которой понимают поиск, обнаружение, селекцию, преобразование и обработку входных сигналов датчиков с целью определения соответствующих параметров, например, таких как дальность, радиальная скорость, угловые координаты наблюдаемого объекта, навигационные параметры носителя датчиков информации [14].

Для радиолокационных и радионавигационных измерителей первичным источником информации является электромагнитное поле радиодиапазона, для оптико-электронных - оптического видимого и инфракрасного диапазонов.

Применительно к радиолокационным датчикам устройства первичной обработки решают задачи обнаружения сигналов и измерения координат мгновенного положения радиолокационных объектов. В процессе измерения координат находятся статистические оценки дальности до цели, ее радиальной скорости и угловых координат. Значения измеренных координат поступают в устройство вторичной обработки.

Известны различные примеры объединения (комплексирования) информации различных разнотипных датчиков на уровне первичной обработки. Так, например, для обеспечения высокой разрешающей способности в авиационных и космических РЛС землеобзора по азимуту при ее функционировании в режиме синтезирования апертуры необходимо осуществлять согласованную обработку траекторного сигнала, отраженного от наземной цели [4, 15]. Для этого нужно с достаточно высокой точностью знать параметры траектории движения фазового центра антенны РЛС, которые используются при формировании опорного сигнала, соответствующего сигналу от точечной наземной цели. Данный сигнал используется в алгоритме обработки траекторного сигнала с предварительной компенсацией изменения частоты сигнала и последующей доплеровской фильтрации. В результате умножения траекторного сигнала на опорную функцию осуществляется демодуляция (компенсация ЛЧМ) выходного сигнала, что обеспечивает устранение квадратичного набега фазы.

Определение параметров траектории с требуемой точностью может возлагаться на штатные или специализированные инерциальные навигационные системы, которые измеряют такие параметры движения носителя РЛС, как скорости и ускорения по осям нормальной системы координат. В настоящее время в качестве этих систем широко используются системы микронавигации [4, 5, 15, 16].

Следует отметить, что при комплексировании на первом уровне на основе наблюдения векторного процесса, компоненты которого представляют собой входные данные устройств первичной обработки сигналов, синтезируется не только система объединения отдельных устройств, но и сами устройства первичной обработки информации. Такой подход позволяет извлекать максимальное количество информации из наблюдаемого векторного процесса и синтезировать оптимальную комплексную систему обработки информации. В то же время не все разнотипные датчики могут объединяться на первом уровне, например, РЛС и оптико-электронные системы при выполнении мониторинга наземного пространства.

В целом, комплексирование устройств и систем на уровне первичной обработки информации в случае авиационных бортовых комплексов позволяет [14]:

- компенсировать в той или иной степени влияние движения ЛА на работу радиотехнических измерителей (РТИ);

- сократить время поиска сигналов РТИ;

- устранить или уменьшить методические погрешности РТИ;

...