eng
Выпуск #4/2025
В. Ненашев
МЕТОДИКА СОВМЕЩЕНИЯ РАЗНОРАКУРСНЫХ РЕЖИМОВ ФОРМИРОВАНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ КАДРОВ В ПРОСТРАНСТВЕННО-РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМЕ МАЛОГАБАРИТНЫХ БОРТОВЫХ РЛС
МЕТОДИКА СОВМЕЩЕНИЯ РАЗНОРАКУРСНЫХ РЕЖИМОВ ФОРМИРОВАНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ КАДРОВ В ПРОСТРАНСТВЕННО-РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СИСТЕМЕ МАЛОГАБАРИТНЫХ БОРТОВЫХ РЛС
Просмотры: 1096
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.245.4.90.94
Предлагается методика, объединяющая данные от разноракурсных режимов (бистатического (полуактивного) и активного) формирования радиолокационных кадров высокого разрешения на базе двухпозиционной пространственно-распределенной системы малогабаритных бортовых РЛС.
Предлагается методика, объединяющая данные от разноракурсных режимов (бистатического (полуактивного) и активного) формирования радиолокационных кадров высокого разрешения на базе двухпозиционной пространственно-распределенной системы малогабаритных бортовых РЛС.
Теги: combination of multi-aspect modes forward viewing area high resolution radar frames small-sized airborne radar two-position spatially distributed system высокое разрешение двухпозиционная пространственно-распределенная система малогабаритная бортовая рлс передняя зона обзора радиолокационные кадры совмещение разноракурсных режимов
Методика совмещения разноракурсных режимов формирования радиолокационных кадров в пространственно-распределенной системе малогабаритных бортовых РЛС
В. Ненашев, к.т.н.
При авиационном контроле подстилающей поверхности с чрезвычайными ситуациями необходимо обнаруживать и отождествлять радиолокационные измерения, соответствующие конкретному физическому наземному объекту в двухпозиционном варианте наблюдения за ним. В статье предлагается методика, объединяющая данные от разноракурсных режимов (бистатического (полуактивного) и активного) формирования радиолокационных кадров высокого разрешения на базе двухпозиционной пространственно-распределенной системы малогабаритных бортовых РЛС.
В последнее годы малые летательные аппараты (МЛА) широко используются в качестве носителей малогабаритных бортовых РЛС (МБРЛС), на базе которых реализуются режимы синтезирования апертуры антенны (САА) [1–3]. Это, с одной стороны, связано с доступностью и увеличением массы полезной нагрузки МЛА. С другой – с уменьшением массогабаритных характеристик МБРЛС с реализацией САА, а также с уменьшением стоимости их отдельных аппаратных устройств и возможностью модульного сбора и компактного размещения на МЛА.
Подобные системы бортового контроля с реализацией САА широко применимы во многих гражданских сферах, где требуется оперативно осуществлять формирование радиолокационных кадров (РЛК) высокого разрешения с распознаванием на них объектов интереса в любых сезонных и погодных метеоусловиях, ночью и днем, а также в условиях ограниченной видимости, например, обусловленной наличием в среде тумана или дыма.
Например, при возникновении чрезвычайных ситуаций (ЧС) природного и техногенного характера, а также при поисково-спасательных операциях, где время выполнения является ключевым фактором, так как его минимизация позволит сохранить жизни людей и сократить масштабы ущерба от ЧС.
Поэтому в настоящее время все более актуальны разработки и исследования разноракурсных режимов формирования радиолокационных кадров, реализуемых на базе двухпозиционной пространственно-распределенной системы, которые позволяют оперативно в автоматизированном режиме обеспечить полное и достоверное отображение состояния зон с ЧС.
Также при обзоре территорий земной поверхности с целью распознавания в автоматизированном режиме объектов интереса требуется повышать разрешение радиолокационных кадров, формируемых именно в передних зонах обзора (ПЗО) малогабаритных бортовых РЛС. Это обеспечивается за счет реализации двухпозиционной пространственно-распределенной системы (ДПРС), объединяющей МБРЛС с целью совместного обнаружения и отождествления радиолокационных измерений отдельных физических наземных объектов (ФНО) и уменьшения количества позиций, входящих в нее.
Для формирования РЛК высокого разрешения в ПЗО могут использоваться следующие методы:
Первый метод формирования РЛК в ПЗО функционирует на базе ДПРС, в состав которой входят две МБРЛС, каждая из которых работает в активном режиме. Схема построения ДПРС с реализацией данного метода следующая – на каждой МБРЛС находятся один передатчик
и один приемник, которые размещены на одной позиции и которые осуществляют излучение зондирующих сигналов в одном направлении – переднебокового обзора – и прием с того же ракурса излучения. В результате накопления сигналов, собранных на интервале синтезирования апертуры, и их когерентной обработки формируются РЛК для переднебоковой зоны обзора каждой МБРЛС. Эти же РЛК высокого разрешения после их преобразования являются отображением передней зоны наблюдаемой территории, но для соседней МБРЛС. Далее с позиции, где кадр был сформирован, он передается на соседнюю МБРЛС, где осуществляется его преобразование в новую систему координат с учетом текущей позиции для освещения ПЗО по курсу движения носителя МБРЛС [3, 4, 7].
Следует отметить, что из-за довольно большого объема данных, требуемых для формирования РЛК, их передача на соседнюю МБРЛС может осуществляться не целиком, когда кадр сформирован, а по частям собираемых данных, требуемых для его формирования, в течение интервала накопления в виде отдельных наборов эхо-сигналов с соответствующими им навигационными параметрами. Такой подход позволяет сократить нагрузку на канал обмена данными между аппаратурой связи носителей
МБРЛС и обеспечить реализацию режима мягкого реального времени при отображении ПЗО. При этом формирование РЛК осуществляется уже на соседней МБРЛС,
но для ракурса позиции, где зондирующий сигнал был излучен и принят.
Второй метод формирования РЛК в ПЗО – бистатическое синтезирование апертуры антенны. Он, так же, как и первый метод, реализуется на базе ДПРС.
Схема построения ДПРС с реализацией данного бистатического метода следующая – передающие и приемные устройства разнесены по позициям в пространстве на некоторое расстояние. То есть, например, излучаемые зондирующие сигналы с МБРЛС1
на интервале синтезирования, которые далее отражаются от подстилающей поверхности, регистрируются приемным устройством, базирующимся уже на соседней МБРЛС2, которая не осуществила их первоначальное излучение. И, таким образом, в результате обработки накопленных переотраженных сигналов от наблюдаемой ПЗО реализуется формирование РЛК высокого разрешения.
Этот метод БиСАА имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционным методом формирования РЛК [8, 9], который реализуется на базе однопозиционной системы бортового контроля подстилающей поверхности, а именно:
С другой стороны, бистатический метод САА имеет несколько технических сложностей при его реализации, а именно сложность синхронизации работы разнесенных устройств приемника и передатчика.
Это усложняет реализацию метода формирования РЛК с бистатическим САА в аппаратуре МБРЛС.
Таким образом, оба режима имеют свои преимущества и ограничения, поэтому для расширения функциональных возможностей их предлагается объединить
в единую методику комплексной обработки. Это позволит повысить разрешение объединенного РЛК, формируемого для ПЗО, что не удается реализовать с одного ракурса и одной позиции МБРЛС ввиду вышеописанных недостатков.
Поэтому целью данного исследования является разработка методики совмещения разноракурсных режимов формирования радиолокационных кадров с САА, формируемых от разнесенных в пространстве МБРЛС, каждая из которых формирует радиолокационные кадры общей ПЗО, в единый комплексный радиолокационный кадр, с одновременным обнаружением, определением координат и распознаванием физических
наземных объектов для обеспечения автоматизации и повышения оперативности процесса авиационного контроля зон с ЧС.
Вариант реализации двухпозиционной пространственно-распределенной системы малогабаритных бортовых РЛС
Процесс совмещения режимов формирования радиолокационных кадров для ПЗО методами САА и БиСАА, реализуемыми на базе объединения и пересылки данных между двумя малогабаритными бортовыми РЛС, входящими в ДПРС, поясняется следующим ее описанием.
Взаимное расположение ПЗО и носителей МБРЛС, входящих в ДПРС формирования кадров двумя вышеописанными методами, показано на рис. 1. В составы МБРЛС1 и МБРЛС2 входят по одному приемо-передающему устройству (ППУ) и одному приемному устройству (ПУ), а также на каждом МЛА имеется аппаратура связи для обмена данными между ними. В данной ДПРС на каждой МБРЛС реализуется формирование кадров для ПЗО как в режиме САА, так и в режиме БиСАА.
Для описания процесса формирования кадров этими методами САА и БиСАА требуется ввести следующие обозначения для каждого из носителей МБРЛС. Для МБРЛС1 регистрацию эхо-сигнала в области быстрого времени, которое согласуется с ячейками дальности, следует обозначить как Tb = [tb1, tb2, tb3, …, tbn], где n – количество отсчетов дальности.
Также введем область медленного времени через параметр Tm = [tm1, tm2, tm3, …, tmk], где k – количество отчетов для обеспечения разрешения кадра по азимуту, и эта ось медленного времени соотносится с периодом повторения зондирующих импульсов,
за счет чего и формируется синтезированная апертура.
Носитель МБРЛС1 движется вдоль оси Y с начальным положением (0, 0). Аналогичные обозначения времени используются для МБРЛС2, при этом начальное ее положение находится в точке (d, 0). Оба носителя МБРЛС осуществляют полет на одинаковой высоте, практически параллельными курсами. При этом ПУ находится на расстоянии d вдоль оси X от ППУ.
Скорости носителей МБРЛС следует обозначить как Vr1 и Vr2, вектор скорости ФНО как (vx,vy), а начальное их положение – (x0, y0) в представленной на рис. 1 системе координат (СК).
Во время полета для такого варианта построения ДПРС, согласно рис. 1, реализуется зондирование пачкой маркированных широкополосных импульсных сигналов, а именно с ППУ1 МБРЛС1 излучаются сигналы p1 в направлении ПЗО МБРЛС2 и с ППУ2 МБРЛС2 – p2 в направлении ПЗО МБРЛС1. При этом каждый из переотраженных маркированных сигналов может быть отдельно идентифицирован в совместном канале комплексной обработки радиолокационных данных ДПРС [10].
Далее сигнал p1 переотражается от подстилающей поверхности, после чего регистрируется двумя приемными устройствами различных МБРЛС, а именно, ППУ1, находящимся на МБРЛС1, регистрируется сигнал q11 (накопление которого требуется для формирования кадра переднебоковой зоны обзора МБРЛС1 в режиме САА на базе ДПРС МБРЛС, в то же время являющейся ПЗО для МБРЛС2) и ПУ2, расположенным на МБРЛС2, – сигнал q12, накопление которого требуется для формирования кадра ПЗО МБРЛС2 в режиме БиСАА (см. рис. 1а). Аналогичные действия осуществляются для излучаемого сигнала p2,
в результате переотражения которого регистрируются сигналы: q21 – ППУ2, находящимся на МБРЛС2 и q22 – ПУ1, расположенным на МБРЛС1 (см. рис. 1б).
В результате накопления и обработки вышеописанным методом САА регистрируемого сигнала q11 после его пересылки с навигационными параметрами на каждом периоде излучения на МБРЛС2 формируется РЛКС1 для ПЗО МБРЛС2, а методом БиСАА на том же борту в результате обработки накопленного сигнала q12 формируется РЛКБиС1 (см. рис. 1а). Аналогичным образом, на борту МБРЛС1 на основе обработки передаваемого с МБРЛС2 на МБРЛС1 эхо-сигнала q21 и регистрируемого ПУ1 сигнала q22 формируются кадры для ПЗО МБРЛС1, соответственно РЛКС2 и РЛКБиС2 (см. рис. 1б).
Далее каждую пару кадров (РЛКС1, РЛКБиС1) для ПЗО МБРЛС2, и аналогичную пару кадров, но для ПЗО МБРЛС1 – (РЛКС2, РЛКБиС2) необходимо преобразовать к одному ракурсу наблюдения.
Методика совмещения радиолокационных кадров, сформированных в режимах САА и БиСАА на базе двухпозиционной пространственно-распределенной системы малогабаритных бортовых РЛС
Данная методика совмещения кадров, сформированных в разноракурсных режимах, реализуемых в ДПРС, на каждой МБРЛС функционирует следующим образом:
1. Осуществляются формирование и регистрация
кадров ПЗО в режимах САА (активный) и БиСАА (полуактивный), на базе каждой МБРЛС, входящей в ДПРС.
2. Реализуется выделение контуров и их характерных точек на двух кадрах ПЗО, сформированных в режимах САА и БиСАА на базе ДПРС МБРЛС.
3. Выполняется сопоставление характерных точек контуров, выделенных в п. 2, для определения преобразования в ракурс системы координат цифровой виртуальной модели местности (ЦВММ) для совмещения каждого кадра, зарегистрированного в п. 1.
4. Осуществляется определение преобразования в сис-
тему координат ЦВММ для каждого кадра режимов САА и БиСАА на основе найденных пар ключевых точек контура.
5. Реализуется применение определенного в п. 4 преобразования в ракурс ЦВММ к кадрам, сформированным в режимах САА и БиСАА.
6. Выполняется итоговое объединение с коррекцией РЛК, сформированных с САА, и РЛК с БиСАА в ракурс ЦВММ с целью приведения их к общему ракурсу.
7. Оценивается точность объединения РЛК с ЦВММ.
8. Выполняется выделение радиоконтрастных ФНО на каждом кадре на основе многокритериального алгоритма обнаружения [11, 12].
9. Выполняется отождествление радиоконтрастных ФНО.
10. Реализуется распознавание с определением координат обнаруженных в п. 8 и отождествленных
в п. 9 ФНО на основе нейросетевого подхода [13, 14].
Таким образом осуществляется объединение кадров ПЗО в ракурс ЦВММ на каждой МБРЛС. Это позволяет в режиме реального времени актуализовать ЦВММ с обеспечением высокой детализации формируемых РЛК до разрешений, при которых возможно достоверное отождествление и распознавание обнаруженных ФНО, и таким образом обеспечить выполнение поставленной в данной работе цели.
Финансовая поддержка
Исследование выполнено за счет гранта Российского
научного фонда (проект № 24-79-10259).
***
В работе описаны принципы и особенности реализации системы ДПРС, а также предложена методика, реализующая совмещение двух РЛК высокого разрешения, сформированных в двух различных режимах для ПЗО. Данная методика совмещения позволит повысить разрешение РЛК для эффективного решения задач обнаружения и отождествления физических наземных объектов, а также повышения доли верно распознанных ФНО.
Разработанная методика совмещения двух РЛК в один общий кадр с повышенным разрешением предназначена для автоматизации процесса авиационного контроля за зонами ЧС за счет распознавания ФНО на данном кадре. В методике реализовано совмещение РЛК с ЦВММ, являющейся единым ракурсом, к которому требуется приводить кадры.
Заинтересованность в использовании подобных ДПРС имеется для проведения оперативных поисково-спасательных операций, связанных с поиском и спасением людей на обширных территориях, где целесообразно применение МЛА для увеличения скорости поиска и захвата большей территории в целях ее анализа. Также данная система применима в процессах экологического мониторинга, сопровождения и распознавания наземных объектов, при мониторинге окружающей среды, контроле зон с ЧС, обеспечении охраны заповедников и др.
ЛИТЕРАТУРА
Kim H.G., Park J.-S., Lee D.-H. Potential of Unmanned Aerial Sampling for Montoring Insect Populations in Rice Fields // Florida Entomol. 2018. V. 101. PP. 330–334.
Klemm R. et al. Novel Radar Techniques and Applications. Real Aperture Array Radar, Imaging Radar, and Passive and Multistatic Radar. – Scitech Publishing. 2017. 951 p.
Ненашев В. А., Сенцов А.А. Пространственно-распределенные системы радиолокационного и оптического мониторинга: монография.СПб: Редакционно-издательский центр ГУАП, 2022. 191 с.
Патент № 2703996 C2 Российская Федерация, МПК G01S 13/90. Способ локации целей в передних зонах обзора бортовых радиолокационных станций двухпозиционной радиолокационной системы: № 2019108828: заявл. 26.03.2019:
опубл. 23.10.2019 / Г. А. Коржавин, В. А. Ненашев, А. П. Шепета [и др.]; заявитель Акционерное общество «Концерн «Гранит-Электрон».
Nenashev V.A. Combining data from airborne spatially distributed modes of radar imaging in small-sized airborne radars // Wave Electronics and Its Application in Information and Telecommunication Systems. 2023. V. 6, No. 1. PP. 299–302.
Comblet F., Ayari M. Y., Pellen F. and Khenchaf A. Bistatic radar imaging system for sea surface target detection. – Europe Oceans 2005, Brest, France, 2005. V. 1. PP. 692–697. https://doi.org/10.1109/OCEANSE.2005.1511798
Ненашев В. А., Ханыков И. Г. Формирование комплексного изображения земной поверхности
на основе кластеризации пикселей локационных снимков в многопозиционной бортовой системе // Информатика и автоматизация. 2021. Т. 20, № 2. С. 302–340. https://doi.org/10.15622/ia.2021.20.2.3
Ненашев В. А., Бестугин А. Р., Киршина И. А., Антохин Е. А. Формирование потока
радиолокационных кадров в пространственно-распределенной системе малогабаритных
бортовых РЛС // Успехи современной радиоэлектроники. 2024. Т. 78, № 3. С. 59–69.
Сенцов А.А., Ненашев В.А., Иванов С.А., Турнецкая Е.Л. Совмещение сформированных
радиолокационных изображений с цифровой картой местности в бортовых системах оперативного мониторинга земной поверхности // Труды МАИ. 2021. № 117. https://doi.org/10.34759/trd-2021-117-08
Nenashev V.A., Nenashev S.A. Search and Study of Marked Code Structures for a Spatially Distributed System of Small-Sized Airborne Radars // Sensors. 2023, 23(15), 6835. https://doi.org/10.3390/s23156835
Liu J., Liu X., Chen H., Luo S. MDD-YOLOv8: A Multi-Scale Object Detection Model Based on YOLOv8 for Synthetic Aperture Radar Images // Appl. Sci. 2025, 15, 2239. https://doi.org/10.3390/app15042239
Сравнительные характеристики квазиоптимальных цифровых обнаружителей сверхширокополосных сигналов / А. М. Махлин, В. А. Ненашев, А. П. Шепета // Волновая электроника и ее применения в информационных и телекоммуникационных системах: XXI Международная молодежная конференция, Санкт-Петербург, 01–05 октября 2018 года. СПб: Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, 2018. С. 257–264.
Ненашев В. А., Ненашев С. А., Бестугин А. Р. и др. Контроль наземных объектов
на основе нейросетевого распознавания в авиационных системах технического зрения // Датчики и системы. 2024. № 2(274). С. 57–61.
Ненашев В.А., Ненашев С.А. Классификация и распознавание наземных объектов в потоке радиолокационных кадров на основе нейросетевого подхода // Автоматизация в промышленности. 2024. № 1. С. 29–33. https://doi.org/10.25728/avtprom.2024.01.07.
В. Ненашев, к.т.н.
При авиационном контроле подстилающей поверхности с чрезвычайными ситуациями необходимо обнаруживать и отождествлять радиолокационные измерения, соответствующие конкретному физическому наземному объекту в двухпозиционном варианте наблюдения за ним. В статье предлагается методика, объединяющая данные от разноракурсных режимов (бистатического (полуактивного) и активного) формирования радиолокационных кадров высокого разрешения на базе двухпозиционной пространственно-распределенной системы малогабаритных бортовых РЛС.
В последнее годы малые летательные аппараты (МЛА) широко используются в качестве носителей малогабаритных бортовых РЛС (МБРЛС), на базе которых реализуются режимы синтезирования апертуры антенны (САА) [1–3]. Это, с одной стороны, связано с доступностью и увеличением массы полезной нагрузки МЛА. С другой – с уменьшением массогабаритных характеристик МБРЛС с реализацией САА, а также с уменьшением стоимости их отдельных аппаратных устройств и возможностью модульного сбора и компактного размещения на МЛА.
Подобные системы бортового контроля с реализацией САА широко применимы во многих гражданских сферах, где требуется оперативно осуществлять формирование радиолокационных кадров (РЛК) высокого разрешения с распознаванием на них объектов интереса в любых сезонных и погодных метеоусловиях, ночью и днем, а также в условиях ограниченной видимости, например, обусловленной наличием в среде тумана или дыма.
Например, при возникновении чрезвычайных ситуаций (ЧС) природного и техногенного характера, а также при поисково-спасательных операциях, где время выполнения является ключевым фактором, так как его минимизация позволит сохранить жизни людей и сократить масштабы ущерба от ЧС.
Поэтому в настоящее время все более актуальны разработки и исследования разноракурсных режимов формирования радиолокационных кадров, реализуемых на базе двухпозиционной пространственно-распределенной системы, которые позволяют оперативно в автоматизированном режиме обеспечить полное и достоверное отображение состояния зон с ЧС.
Также при обзоре территорий земной поверхности с целью распознавания в автоматизированном режиме объектов интереса требуется повышать разрешение радиолокационных кадров, формируемых именно в передних зонах обзора (ПЗО) малогабаритных бортовых РЛС. Это обеспечивается за счет реализации двухпозиционной пространственно-распределенной системы (ДПРС), объединяющей МБРЛС с целью совместного обнаружения и отождествления радиолокационных измерений отдельных физических наземных объектов (ФНО) и уменьшения количества позиций, входящих в нее.
Для формирования РЛК высокого разрешения в ПЗО могут использоваться следующие методы:
- двухпозиционный активный метод синтезирования апертуры антенны [3, 4];
Первый метод формирования РЛК в ПЗО функционирует на базе ДПРС, в состав которой входят две МБРЛС, каждая из которых работает в активном режиме. Схема построения ДПРС с реализацией данного метода следующая – на каждой МБРЛС находятся один передатчик
и один приемник, которые размещены на одной позиции и которые осуществляют излучение зондирующих сигналов в одном направлении – переднебокового обзора – и прием с того же ракурса излучения. В результате накопления сигналов, собранных на интервале синтезирования апертуры, и их когерентной обработки формируются РЛК для переднебоковой зоны обзора каждой МБРЛС. Эти же РЛК высокого разрешения после их преобразования являются отображением передней зоны наблюдаемой территории, но для соседней МБРЛС. Далее с позиции, где кадр был сформирован, он передается на соседнюю МБРЛС, где осуществляется его преобразование в новую систему координат с учетом текущей позиции для освещения ПЗО по курсу движения носителя МБРЛС [3, 4, 7].
Следует отметить, что из-за довольно большого объема данных, требуемых для формирования РЛК, их передача на соседнюю МБРЛС может осуществляться не целиком, когда кадр сформирован, а по частям собираемых данных, требуемых для его формирования, в течение интервала накопления в виде отдельных наборов эхо-сигналов с соответствующими им навигационными параметрами. Такой подход позволяет сократить нагрузку на канал обмена данными между аппаратурой связи носителей
МБРЛС и обеспечить реализацию режима мягкого реального времени при отображении ПЗО. При этом формирование РЛК осуществляется уже на соседней МБРЛС,
но для ракурса позиции, где зондирующий сигнал был излучен и принят.
Второй метод формирования РЛК в ПЗО – бистатическое синтезирование апертуры антенны. Он, так же, как и первый метод, реализуется на базе ДПРС.
Схема построения ДПРС с реализацией данного бистатического метода следующая – передающие и приемные устройства разнесены по позициям в пространстве на некоторое расстояние. То есть, например, излучаемые зондирующие сигналы с МБРЛС1
на интервале синтезирования, которые далее отражаются от подстилающей поверхности, регистрируются приемным устройством, базирующимся уже на соседней МБРЛС2, которая не осуществила их первоначальное излучение. И, таким образом, в результате обработки накопленных переотраженных сигналов от наблюдаемой ПЗО реализуется формирование РЛК высокого разрешения.
Этот метод БиСАА имеет ряд преимуществ по сравнению с традиционным методом формирования РЛК [8, 9], который реализуется на базе однопозиционной системы бортового контроля подстилающей поверхности, а именно:
- позволяет формировать РЛК высокого разрешения в ПЗО, в отличие от традиционного метода САА;
- позволяет уменьшить требования к массогабаритным характеристикам каждой отдельной позиции ДПРС, так как передатчик и приемник размещены отдельно друг от друга, что особо важно в случае базирования таких систем на МЛА;
- обеспечивает получение информации о рассеянии наземных объектов под различными азимутами наблюдения, позволяет обнаруживать невидимые объекты под определенным углом;
- позволяет предъявлять меньшие требования к траектории полета МЛА, чем при традиционном САА;
- обеспечивает скрытность наблюдения и возможность защиты от помех окружающей среды, воздействующих в направлении передающего устройства.
С другой стороны, бистатический метод САА имеет несколько технических сложностей при его реализации, а именно сложность синхронизации работы разнесенных устройств приемника и передатчика.
Это усложняет реализацию метода формирования РЛК с бистатическим САА в аппаратуре МБРЛС.
Таким образом, оба режима имеют свои преимущества и ограничения, поэтому для расширения функциональных возможностей их предлагается объединить
в единую методику комплексной обработки. Это позволит повысить разрешение объединенного РЛК, формируемого для ПЗО, что не удается реализовать с одного ракурса и одной позиции МБРЛС ввиду вышеописанных недостатков.
Поэтому целью данного исследования является разработка методики совмещения разноракурсных режимов формирования радиолокационных кадров с САА, формируемых от разнесенных в пространстве МБРЛС, каждая из которых формирует радиолокационные кадры общей ПЗО, в единый комплексный радиолокационный кадр, с одновременным обнаружением, определением координат и распознаванием физических
наземных объектов для обеспечения автоматизации и повышения оперативности процесса авиационного контроля зон с ЧС.
Вариант реализации двухпозиционной пространственно-распределенной системы малогабаритных бортовых РЛС
Процесс совмещения режимов формирования радиолокационных кадров для ПЗО методами САА и БиСАА, реализуемыми на базе объединения и пересылки данных между двумя малогабаритными бортовыми РЛС, входящими в ДПРС, поясняется следующим ее описанием.
Взаимное расположение ПЗО и носителей МБРЛС, входящих в ДПРС формирования кадров двумя вышеописанными методами, показано на рис. 1. В составы МБРЛС1 и МБРЛС2 входят по одному приемо-передающему устройству (ППУ) и одному приемному устройству (ПУ), а также на каждом МЛА имеется аппаратура связи для обмена данными между ними. В данной ДПРС на каждой МБРЛС реализуется формирование кадров для ПЗО как в режиме САА, так и в режиме БиСАА.
Для описания процесса формирования кадров этими методами САА и БиСАА требуется ввести следующие обозначения для каждого из носителей МБРЛС. Для МБРЛС1 регистрацию эхо-сигнала в области быстрого времени, которое согласуется с ячейками дальности, следует обозначить как Tb = [tb1, tb2, tb3, …, tbn], где n – количество отсчетов дальности.
Также введем область медленного времени через параметр Tm = [tm1, tm2, tm3, …, tmk], где k – количество отчетов для обеспечения разрешения кадра по азимуту, и эта ось медленного времени соотносится с периодом повторения зондирующих импульсов,
за счет чего и формируется синтезированная апертура.
Носитель МБРЛС1 движется вдоль оси Y с начальным положением (0, 0). Аналогичные обозначения времени используются для МБРЛС2, при этом начальное ее положение находится в точке (d, 0). Оба носителя МБРЛС осуществляют полет на одинаковой высоте, практически параллельными курсами. При этом ПУ находится на расстоянии d вдоль оси X от ППУ.
Скорости носителей МБРЛС следует обозначить как Vr1 и Vr2, вектор скорости ФНО как (vx,vy), а начальное их положение – (x0, y0) в представленной на рис. 1 системе координат (СК).
Во время полета для такого варианта построения ДПРС, согласно рис. 1, реализуется зондирование пачкой маркированных широкополосных импульсных сигналов, а именно с ППУ1 МБРЛС1 излучаются сигналы p1 в направлении ПЗО МБРЛС2 и с ППУ2 МБРЛС2 – p2 в направлении ПЗО МБРЛС1. При этом каждый из переотраженных маркированных сигналов может быть отдельно идентифицирован в совместном канале комплексной обработки радиолокационных данных ДПРС [10].
Далее сигнал p1 переотражается от подстилающей поверхности, после чего регистрируется двумя приемными устройствами различных МБРЛС, а именно, ППУ1, находящимся на МБРЛС1, регистрируется сигнал q11 (накопление которого требуется для формирования кадра переднебоковой зоны обзора МБРЛС1 в режиме САА на базе ДПРС МБРЛС, в то же время являющейся ПЗО для МБРЛС2) и ПУ2, расположенным на МБРЛС2, – сигнал q12, накопление которого требуется для формирования кадра ПЗО МБРЛС2 в режиме БиСАА (см. рис. 1а). Аналогичные действия осуществляются для излучаемого сигнала p2,
в результате переотражения которого регистрируются сигналы: q21 – ППУ2, находящимся на МБРЛС2 и q22 – ПУ1, расположенным на МБРЛС1 (см. рис. 1б).
В результате накопления и обработки вышеописанным методом САА регистрируемого сигнала q11 после его пересылки с навигационными параметрами на каждом периоде излучения на МБРЛС2 формируется РЛКС1 для ПЗО МБРЛС2, а методом БиСАА на том же борту в результате обработки накопленного сигнала q12 формируется РЛКБиС1 (см. рис. 1а). Аналогичным образом, на борту МБРЛС1 на основе обработки передаваемого с МБРЛС2 на МБРЛС1 эхо-сигнала q21 и регистрируемого ПУ1 сигнала q22 формируются кадры для ПЗО МБРЛС1, соответственно РЛКС2 и РЛКБиС2 (см. рис. 1б).
Далее каждую пару кадров (РЛКС1, РЛКБиС1) для ПЗО МБРЛС2, и аналогичную пару кадров, но для ПЗО МБРЛС1 – (РЛКС2, РЛКБиС2) необходимо преобразовать к одному ракурсу наблюдения.
Методика совмещения радиолокационных кадров, сформированных в режимах САА и БиСАА на базе двухпозиционной пространственно-распределенной системы малогабаритных бортовых РЛС
Данная методика совмещения кадров, сформированных в разноракурсных режимах, реализуемых в ДПРС, на каждой МБРЛС функционирует следующим образом:
1. Осуществляются формирование и регистрация
кадров ПЗО в режимах САА (активный) и БиСАА (полуактивный), на базе каждой МБРЛС, входящей в ДПРС.
2. Реализуется выделение контуров и их характерных точек на двух кадрах ПЗО, сформированных в режимах САА и БиСАА на базе ДПРС МБРЛС.
3. Выполняется сопоставление характерных точек контуров, выделенных в п. 2, для определения преобразования в ракурс системы координат цифровой виртуальной модели местности (ЦВММ) для совмещения каждого кадра, зарегистрированного в п. 1.
4. Осуществляется определение преобразования в сис-
тему координат ЦВММ для каждого кадра режимов САА и БиСАА на основе найденных пар ключевых точек контура.
5. Реализуется применение определенного в п. 4 преобразования в ракурс ЦВММ к кадрам, сформированным в режимах САА и БиСАА.
6. Выполняется итоговое объединение с коррекцией РЛК, сформированных с САА, и РЛК с БиСАА в ракурс ЦВММ с целью приведения их к общему ракурсу.
7. Оценивается точность объединения РЛК с ЦВММ.
8. Выполняется выделение радиоконтрастных ФНО на каждом кадре на основе многокритериального алгоритма обнаружения [11, 12].
9. Выполняется отождествление радиоконтрастных ФНО.
10. Реализуется распознавание с определением координат обнаруженных в п. 8 и отождествленных
в п. 9 ФНО на основе нейросетевого подхода [13, 14].
Таким образом осуществляется объединение кадров ПЗО в ракурс ЦВММ на каждой МБРЛС. Это позволяет в режиме реального времени актуализовать ЦВММ с обеспечением высокой детализации формируемых РЛК до разрешений, при которых возможно достоверное отождествление и распознавание обнаруженных ФНО, и таким образом обеспечить выполнение поставленной в данной работе цели.
Финансовая поддержка
Исследование выполнено за счет гранта Российского
научного фонда (проект № 24-79-10259).
***
В работе описаны принципы и особенности реализации системы ДПРС, а также предложена методика, реализующая совмещение двух РЛК высокого разрешения, сформированных в двух различных режимах для ПЗО. Данная методика совмещения позволит повысить разрешение РЛК для эффективного решения задач обнаружения и отождествления физических наземных объектов, а также повышения доли верно распознанных ФНО.
Разработанная методика совмещения двух РЛК в один общий кадр с повышенным разрешением предназначена для автоматизации процесса авиационного контроля за зонами ЧС за счет распознавания ФНО на данном кадре. В методике реализовано совмещение РЛК с ЦВММ, являющейся единым ракурсом, к которому требуется приводить кадры.
Заинтересованность в использовании подобных ДПРС имеется для проведения оперативных поисково-спасательных операций, связанных с поиском и спасением людей на обширных территориях, где целесообразно применение МЛА для увеличения скорости поиска и захвата большей территории в целях ее анализа. Также данная система применима в процессах экологического мониторинга, сопровождения и распознавания наземных объектов, при мониторинге окружающей среды, контроле зон с ЧС, обеспечении охраны заповедников и др.
ЛИТЕРАТУРА
Kim H.G., Park J.-S., Lee D.-H. Potential of Unmanned Aerial Sampling for Montoring Insect Populations in Rice Fields // Florida Entomol. 2018. V. 101. PP. 330–334.
Klemm R. et al. Novel Radar Techniques and Applications. Real Aperture Array Radar, Imaging Radar, and Passive and Multistatic Radar. – Scitech Publishing. 2017. 951 p.
Ненашев В. А., Сенцов А.А. Пространственно-распределенные системы радиолокационного и оптического мониторинга: монография.СПб: Редакционно-издательский центр ГУАП, 2022. 191 с.
Патент № 2703996 C2 Российская Федерация, МПК G01S 13/90. Способ локации целей в передних зонах обзора бортовых радиолокационных станций двухпозиционной радиолокационной системы: № 2019108828: заявл. 26.03.2019:
опубл. 23.10.2019 / Г. А. Коржавин, В. А. Ненашев, А. П. Шепета [и др.]; заявитель Акционерное общество «Концерн «Гранит-Электрон».
Nenashev V.A. Combining data from airborne spatially distributed modes of radar imaging in small-sized airborne radars // Wave Electronics and Its Application in Information and Telecommunication Systems. 2023. V. 6, No. 1. PP. 299–302.
Comblet F., Ayari M. Y., Pellen F. and Khenchaf A. Bistatic radar imaging system for sea surface target detection. – Europe Oceans 2005, Brest, France, 2005. V. 1. PP. 692–697. https://doi.org/10.1109/OCEANSE.2005.1511798
Ненашев В. А., Ханыков И. Г. Формирование комплексного изображения земной поверхности
на основе кластеризации пикселей локационных снимков в многопозиционной бортовой системе // Информатика и автоматизация. 2021. Т. 20, № 2. С. 302–340. https://doi.org/10.15622/ia.2021.20.2.3
Ненашев В. А., Бестугин А. Р., Киршина И. А., Антохин Е. А. Формирование потока
радиолокационных кадров в пространственно-распределенной системе малогабаритных
бортовых РЛС // Успехи современной радиоэлектроники. 2024. Т. 78, № 3. С. 59–69.
Сенцов А.А., Ненашев В.А., Иванов С.А., Турнецкая Е.Л. Совмещение сформированных
радиолокационных изображений с цифровой картой местности в бортовых системах оперативного мониторинга земной поверхности // Труды МАИ. 2021. № 117. https://doi.org/10.34759/trd-2021-117-08
Nenashev V.A., Nenashev S.A. Search and Study of Marked Code Structures for a Spatially Distributed System of Small-Sized Airborne Radars // Sensors. 2023, 23(15), 6835. https://doi.org/10.3390/s23156835
Liu J., Liu X., Chen H., Luo S. MDD-YOLOv8: A Multi-Scale Object Detection Model Based on YOLOv8 for Synthetic Aperture Radar Images // Appl. Sci. 2025, 15, 2239. https://doi.org/10.3390/app15042239
Сравнительные характеристики квазиоптимальных цифровых обнаружителей сверхширокополосных сигналов / А. М. Махлин, В. А. Ненашев, А. П. Шепета // Волновая электроника и ее применения в информационных и телекоммуникационных системах: XXI Международная молодежная конференция, Санкт-Петербург, 01–05 октября 2018 года. СПб: Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения, 2018. С. 257–264.
Ненашев В. А., Ненашев С. А., Бестугин А. Р. и др. Контроль наземных объектов
на основе нейросетевого распознавания в авиационных системах технического зрения // Датчики и системы. 2024. № 2(274). С. 57–61.
Ненашев В.А., Ненашев С.А. Классификация и распознавание наземных объектов в потоке радиолокационных кадров на основе нейросетевого подхода // Автоматизация в промышленности. 2024. № 1. С. 29–33. https://doi.org/10.25728/avtprom.2024.01.07.
Отзывы читателей
