Использование СКИ для обнаружения минных заграждений

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ
В ЦЕЛЯХ ОБНАРУЖЕНИЯ МИННЫХ ЗАГРАЖДЕНИЙ
К.т.н., профессор А.С. Потапов; к.т.н., доцент
В.С. Метёлкин; к.т.н., доцент C.Г. Дементьев,
ТОВМИ ВУНЦ ВМФ «ВМА», г. Владивосток
Радиолокационное обнаружение и определение местоположения
минных заграждений в районах, где идут или прошли боевые действия, а
также с целью предотвращения террористических актов является важной и
актуальной проблемой. Работы по разминированию, выполняемые с
помощью современных методов, требуют значительных средств и времени
и часто приводят к жертвам среди населения. В связи с этим возникает
необходимость значительно повысить производительность работ по
разминированию при повышении качества этих работ (при снижении
уровня ложных тревог и увеличении вероятности обнаружения мин).
Существующие системы обнаружения установленных в грунт
«малозаметных» мин в пластмассовых корпусах, как правило, используют
радиотехнические датчики. Принцип обнаружения в этих системах связан
с измерением изменения диэлектрических свойств грунта в месте
установки мины. Учитывая малый контраст мины, при достаточном уровне
обнаружения вероятность ложных тревог на единицу исследуемой
площади оказывается неприемлемо высокой. Это связано в первую
очередь с отражениями радиосигналов от естественных неоднородностей в
грунте и его поверхности. Указанный недостаток обусловлен низкой
информативностью
традиционных
миноискателей,
производящих
идентификацию мины, используя только амплитуду отраженного от нее
сигнала [1].
Известно много работ, посвященных этой, а также близкой проблеме
«наблюдения сквозь стены» (например, [1 − 5]). Несколько приборов
устройств уже имеются на рынке [3, 4], в том числе и специально
предназначенные для поиска мин и фугасов [5].
В большинстве случаев применяются сверхширокополосные (СШП)
радиолокационные устройства, обладающие очень высокой разрешающей
способностью по дальности.
Хотя точные координаты расположения мин и фугасов очень важны
для правильного определения направления поиска, они, как правило, не
измеряются из-за слабой направленности СШП антенн, расположенных на
специальном транспорте либо вертолётах. В тех случаях, когда угловые
координаты все же измеряются, для этого применяются сложные и
дорогостоящие многоканальные СШП антенные решетки [3, 4]. Такие
решетки требуют временного управления не только для сканирования по
углам, но и по дальности (фокусировка). Для этих целей можно
использовать синтезированные антенные решётки (РСА), размещённые на
летательных аппаратах (вертолётах либо беспилотных летательных
аппаратах (БПА)).
Хорошо известно, что многопозиционные радиолокационные системы
(МПРЛС) могут определять все три координаты объекта по измерениям
только дальности этого объекта относительно разнесенных в пространстве
станций (трилатерационный метод) [2].
Применение сверхкоротких импульсных (СКИ) зондирующих
сигналов означает, что удовлетворительную точность определения
угловых координат удастся достичь при малых базах между разнесенными
антеннами, порядка 1...1,5 м. Кроме того, для этой цели можно
использовать РСА с цифровой обработкой сигнала. Однако для этого
необходимо рассмотреть некоторые теоретические вопросы, недостаточно
освещенные в известной литературе.
Чтобы выделить слабые полезные сигналы на фоне сильных
пассивных помех, распределенных по всей рабочей зоне МПР, следует
использовать все возможные методы селекции сигналов. Эффективная
пространственная селекция возможна при использовании СШП сигналов
с очень высокой разрешающей способностью по дальности: например,
 R  0,3ì (f  c / 2 R  500 Ì Ãö) . Для СШП МПР и РСА сверхкороткие
импульсы длительностью  Ð  2 í ñ предпочтительнее более длинных
сигналов с внутриимпульсной частотной или фазовой модуляцией, так как
обеспечивают малую «мертвую зону» при использовании совмещенных
приемопередающих антенн, не имеют боковых лепестков по дальности
после сжатия и проще в технической реализации. Кроме пространственной
(поляризационной) селекции, необходима частотная селекция. Так как
частота релаксации f грунта может быть не более 12 ÃÃö , разрешающая
способность по частоте должна быть не хуже  f  0,05 ÃÃö . Отсюда
следует, что в приемнике должна обрабатываться когерентная
последовательность импульсов длительностью не менее T  1/  f  2 í ñ .
При выборе параметров зондирующих сигналов СШП МПР
желательно учесть требования по электромагнитной совместимости
(ЭМС). В соответствии с действующими нормами Федеральной комиссии
связи (ФКС) США [5] для СШП устройств «наблюдения сквозь стены»
спектр излучаемого СШП сигнала по уровню 10 дБ должен лежать в
диапазоне от 1990 МГц до 10600 МГц. Можно показать, что если частота
сигнала совпадает с частотой релаксации грунта, это приводит к
энергетическим потерям. С другой стороны, ослабление сигнала в грунте,
строительных материалах резко растет с повышением частоты [2], и это
играет доминирующую роль.
C ослаблением амплитуды сигнала уменьшается глубина
проникновения электромагнитных волн в грунт. Поэтому при размерах
исследуемого объекта R  0,02 ì (средний размер мины) можно выбрать
частоту заполнения импульса в пределах f 0  2250 Ì Ãö (  0,13 ì ) .
Учитывая большое ослабление радиолокационных сигналов в среде
распространения (грунт, строительные материалы), а также ограничения
мощности излучения, связанные с требованиями ЭМС, необходима
оптимизация алгоритма обнаружения. При большом числе мешающих
отражателей в широком секторе, определяемом слабонаправленными
антеннами СШП МПР, пассивные помехи нельзя подавить (вычесть) путем
совместной (пространственной) обработки, так как они оказываются
взаимно не коррелированными на входах разнесенных антенн [3]. Поэтому
задачу обнаружения сигналов, приходящих на вход каждой из антенн,
следует рассматривать отдельно.
  (t  kTn )2 
Sèçë (t )  Àèçë  exp  
 exp  j0 (t  kTn )
2
è
k


(1)
Сверхкороткий
импульс
представляет
собой
когерентную
последовательность импульсов гауссовской формы ( Tn  1 / Fn ; Tn   è ),
длительность  è импульсов определена в (1) по уровню exp( / 4)  0,46
относительно максимума. Предположим также, что все наблюдаемые
объекты (полезные и мешающие) состоят из «блестящих точек».
Поскольку относительная ширина спектра зондирующего сигнала не
слишком велика, форма зондирующего сигнала и эхосигнала от каждой
блестящей точки практически одинакова. Тогда суммарный принятый
сигнал имеет вид:
  (t  kTn   i )2 
Sï ð (t )   Ai  exp  
 exp j 0 (t  kTn   i )  i  , (2)
2

i
k
è


где Ai ;  i ; i − амплитуда, задержка и начальная фаза эхо-сигнала от i-го
отражателя.
Фазу i можно считать случайной и распределенной равномерно в
пределах (0,…2π). Полезный сигнал с изменяющейся во времени
задержкой может быть среди этих сигналов.
Технология оптимального (по критерию отношения правдоподобия)
алгоритма обнаружения когерентной последовательности эхо-сигналов со
случайной начальной фазой от движущегося объекта на фоне белого
гауссовского шума и пассивных помех сводится к следующему алгоритму:
1) вычислению корреляционного интеграла для каждого импульса
ожидаемой
импульсной
последовательности;
2)
когерентному
суммированию (накоплению) результатов обработки каждого импульса, 3)
сравнению спектральных составляющих принимаемого сигнала, 4)
вычислению модуля (или его монотонной функции). Результат этой
обработки следует сравнить с порогом [2].
Для частотной селекции полезного сигнала на фоне помех необходимо
сравнить его частоту с частотой окружающего грунта (почвы).
Когерентное накопление в течение всего времени наблюдения T ,
включающем периоды T  1/  p , где  p - частота релаксации грунта,
недопустимо. Однако, частота повторения импульсов сигнала Fï больше
частоты
 p . Поэтому в течение каждого интервала t , включающего
много периодов повторения Tï , задержка полезного сигнала  ñ остается
постоянной, так что в каждом интервале вполне возможно когерентное
суммирование.
Пусть T / t  M , t / Tï  ï , тогда оптимальная обработка должна
сочетать когерентное суммирование ï импульсов в каждом из Ì
интервалов длительностью t , подавление помех от грунта или
строительных материалов, путем исключения постоянной составляющей и
некогерентное суммирование Ì полученных отсчетов. Можно показать,
что при t ≤ 1/6...1/8 от периода релаксации ( 1 / F р ) энергетические
потери из-за сглаживания амплитуды полезного сигнала < 0,5 дБ.
Можно также показать, что вычисление корреляционного интеграла
для каждого импульса в СШП МПР более целесообразно реализовать с
помощью коррелятора, а не согласованного фильтра, тем более что можно
анализировать весь диапазон дальностей последовательно во времени с
помощью 2-3 корреляторов.
Результат когерентного суммирования выходных напряжений
коррелятора в q -ом интервале длительностью t ( q = 1, 2, ..., M; M =
T / t , n  t / Tn ):
n 1 
  [t  (q  1)t  kTn   0 ]2
x(t ) exp  


 è2
k  0 

 exp  j0 [t  (q  1) t  kTn   0 )] ,
A
S q.êî ð (t )  0
2
где x(t ) − принятая реализация,
коррелятора.


 (3)
 0 − задержка опорного сигнала
Отражения от подземных объектов в этом случае представляют собой
коррелированные последовательности отметок, общие контуры которых
хорошо распознаются даже при высоком уровне фоновых отражений.
Достаточно
эффективным
оказался
алгоритм
пространственной
фильтрации, «распознающий» мины в грунте по размерам и характерной
форме их радиоизображений. Для распознавания можно использовать
корреляционный фильтр с матрицей распознавания, которая зависит от
формы и размеров объектов поиска.
Существует три основных способа определения координат
одноимпульсных в системах: амплитудный, фазовый и комплексный.
Модуляционной метод формирования сигнала угловой ошибки требует
последовательности отраженных импульсов, что определяет его
чувствительность к флуктуациям амплитуды принимаемых сигналов. Это
наиболее существенный недостаток одноканального метода пеленгования,
использующего коническое, линейное и последовательное переключение
диаграммы направленности. Этого недостатка лишена одноимпульсная
пеленгация. Таким образом, пеленгование осуществляется по одному
импульсу, при этом два независимых канала приема в каждой
координатной плоскости практически не влияют на точность измерения
угловых координат.
На первом этапе адаптивной процедуры производится облучение
пространства
мощным
сверхширокополосным
электромагнитным
импульсом и по отраженному сигналу принимается решение об
обнаружении объекта. Параллельно с излучением зондирующего импульса
проводится его спектральный анализ, и результаты S0 ( ) записываются в
блок хранения информации. В случае положительного решения об
обнаружении производится анализ спектра отраженного сигнала S ( ) .
Для нахождения максимума в спектральной характеристике отражающей
поверхности цели  ( ) в вычислительной системе образуется отношение
 ( )  S ( ) / S0 ( ) и проводится анализ максимумов этой величины.
Если один или несколько максимумов оказываются выше среднего
значения эффективной отражающей поверхности, то производится
подстройка спектра излучаемого импульса так, чтобы максимальные
компоненты спектра лоцирующего импульса приходились на
максимальное значение эффективной спектральной отражающей
поверхности. При этом ширина спектра излучаемого импульса также
должна согласовываться с зависимостью  ( ) , чтобы энергия
отраженного сигнала принимала максимально возможное значение.
Следующий (третий) этап алгоритма обнаружения состоит в
фильтрации составляющих с частотой релаксации материалов, из которых
изготавливаются корпуса мин, а также взрывчатых веществ с помощью
линейного фильтра, согласованного с частотой релаксации. Структура
синтезированного обнаружителя показана на рис. 1.
Рис.1. Структурная схема синтезированного обнаружителя
Максимальное пиковое значение выходного импульса
S2 (t ) равно

S2 (t )   S12 (t )dt  A2 è .
(4)

Кроме обнаружения малозаметных целей, мин, СШП СКИ сигналы
позволяют наиболее эффективно по сравнению с другими типами
сигналов, решать задачу подавления элементов и устройств
радиоэлектронной аппаратуры, в том числе связной в частности, каналов
дистанционного управления взрывателями, радиолокационных систем
различного типа, систем позиционирования (GPS и др.), охраны и
наблюдения, вычислительной техники и т.д.
Литература
1. А.С. Бугаев и др. Обнаружение и дистанционная диагностика
состояния людей за препятствиями с помощью РЛС // Радиотехника. 2003. - № 7, С. 42-47.
2. I. Immoreev, S. Samkov, Teh-Ho Tao. Short-Distance Ultra-Wideband
Radars //IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, - 2005 - 20 (6).
3. Prism 100, Prism 200. Cambridge Consultants Limited, UK. – Режим
доступа: www.cambridgeconsultants.com.
4. Through Wall Radar Vision, Time Domain Corp. – Режим доступа:
www.radarvision.com.
5. J. Sachs et al. Through-Wall radar // Proc. of the IRS - 2005.