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 , улавливается приемной антенной. Время запаздывания 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

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

То - длительность ЗС.

Разрешающая способность подповерхностного радиолокатора при классической обработке определяется выражением

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

- - 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

- вектор обзора по глубине;

Н- надстрочный индекс, обозначающий операцию эрмитова сопряжения;

- 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 сигналимеет максимальную мощность при ограничении

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

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]

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

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

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

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.

Для 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

---