9.2. СВЯЗЬ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОБНАРУЖЕНИЯ И РАСПОЗНАВАНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ЦЕЛЕЙ

Как уже отмечалось, задачи обнаружения и распознавания радиолокационных целей характеризуются высоким уровнем априорной неопределенности. Пути преодоления трудностей решения этих задач сходны.

С другой стороны, можно назвать и существенные отличия между способами обнаружения и распознавания объектов. При обнаружении радиолокационных целей, как известно, задать вероятность прихода полезного сигнала или сигнала помехи весьма сложно. Поэтому в теории и практике обнаружения сигналов наиболее распространен критерий Неймана — Пирсона, не требующий задания соответствующих априорных вероятностей и стоимостей ошибочных и правильных решений.

В задачах распознавания эту информацию в принципе можно получить с той или иной степенью точности. Это позволяет применять мощные критерии, основанные на минимизации байесовского риска. Знание стоимостей решений позволяет применять и минимаксные правила.

Другим отличием названных задач является то, что при распознавании можно использовать не только энергетические признаки объектов (например, амплитуды эхосигналов, измеренные в различных диапазонах частот). Как правило, радиолокационные цели распознаются после обнаружения, что позволяет использовать и траекторную (координатную) информацию об объектах. Кроме того, факт обнаружения радиолокационной цели дает возможность сосредоточить на ней энергию РЛС и, следовательно, многократно увеличить результирующее отношение сигнал-шум. С другой стороны, для определения класса обнаруженного объекта обычно требуется анализ «тонкой структуры» его сигналов. Это повышает

требования к отношению сигнал-шум и (или) ко времени контакта РЛС с объектом локации.

В общем случае режимы работы РЛС и ее параметры, обеспечивающие требуемые характеристики обнаружения объектов, не являются оптимальными с точки зрения качества их распознавания. Наоборот, РЛС, эффективно решающая задачу распознавания, может характеризоваться невысокими возможностями обнаружения радиолокационных целей.

Рассмотрим несколько примеров, иллюстрирующих эти утверждения. Известно [14], что к наиболее эффективным относятся алгоритмы распознавания, основанные на анализе эффекта «турбинной модуляции» эхосигналов вращающимися элементами объектов локации (лопатками турбин, лопастями винтов и др.). Весьма перспективны и методы, основанные на синтезе апертур антенны РЛС [38, 9] и на использовании сверхширокополосных сигналов [39].

Для реализации алгоритмов, основанных на регистрации турбинного эффекта и на синтезе апертур антенн РЛС, необходимо значительное время контакта с объектом; при этом средняя вероятность его правильного распознавания является неубывающей функцией аргумента . С другой стороны, увеличение времени контакта РЛС с обнаруженным объектом снижает темп просмотра соседних участков ее зоны обзора. Это приводит к уменьшению вероятности обнаружения радиолокационных целей, появляющихся с этих направлений.

Сверхширокополосные сигналы позволяют разрешать отдельные блестящие точки объекта, т. е. строить его так называемый дальностный портрет. Анализ пространственного размещения блестящих точек и амплитуд сигналов, приходящих от каждой из них, позволяет обеспечить достаточно высокую достоверность распознавания.

С точки зрения обнаружения сигналов к недостаткам сверхширокополосных РЛС следует отнести, во-первых, возможность энергетических потерь, связанных с дроблением эхосигнала на несколько фрагментов по числу блестящих точек, и, во-вторых, некоторое снижение помехоустойчивости таких станций, обусловленное широкополосностью их приемных трактов.

В тех случаях, когда сверхширокополосность сигналов реализуется генерацией очень коротких импульсов, необходимо обеспечить электрическую прочность волноводных трактов РЛС. Один из возможных путей — это снижение импульсной и, следовательно, средней мощности станции, что ухудшает ее возможности обнаружения радиолокационных целей. С другой стороны, применение сложных сигналов большой длительности увеличивает среднее отношение сигнал-шум. При этом требования к электрической прочности волноводов невелики, а разрешающая способность станции по дальности сохраняется на заданном уровне.

Таким образом, придание РЛС способностей определять номера классов наблюдаемых объектов может как ухудшать, так и улучшать возможности обнаружения ими радиолокационных целей. В тех случаях, когда требования обеспечения эффективного обнаружения и распознавания объектов вступают в противоречие, можно сформулировать задачу поиска компромиссного решения. Естественно, что его следует искать при ограничениях энергетического, стоимостного характера и др.

Компромиссное решение можно найти, подобрав показатель эффективности отражающий как качество обнаружения объектов, так и достоверность их распознавания: Для простоты можно допустить, что качество решения обеих задач характеризуется вероятностью правильного обнаружения и

Рис. 9.8

средней вероятностью правильного распознавания объектов Уровень вероятности ложной тревоги будем считать фиксированным и равным

Для поиска компромиссных характеристик РЛС удобно использовать показатель эффективности потребителя информации, выдаваемой РЛС. Качество функционирования такого потребителя зависит от того, как эффективно решаются задачи обнаружения и распознавания объектов.

В тех случаях, когда обобщенный показатель подобрать не удается, можно применять аппарат многокритериальных методов решений. Один из путей решения этой задачи — использование взвешенной суммы где — некоторые весовые коэффициенты, отражающие сравнительную важность задач правильного обнаружения и распознавания объектов; — некоторая монотонная функция, например

Связь между характеристиками обнаружения и распознавания радиолокационных целей проиллюстрируем на следующей модели. Предположим, что РЛС производит программный обзор участка пространства размером угловых дискрет. При условии, что в каждом направлении она посылает один зондирующий импульс, период обзора всего участка составляет в секундах где — время просмотра одного направления.

Пусть объекты входят в зону обзора РЛС по одному с периодичностью, намного меньшей периода обзора Обоаначим через среднее время пребывания радиолокационной цели в зоне обзора РЛС. Тогда среднее число контактов РЛС с объектом локации составит раз. Зададимся вероятностью обнаружения объекта за один контакт. Тогда вероятность того, что он будет обнаружен хотя бы единожды, составит

где — символ отделения целой части числа.

Допустим теперь, что после обнаружения объекта РЛС задерживает на нем свой луч, посылая в этом же направлении импульсов. Это эквивалентно увеличению числа просматриваемых угловых дискрет до Тогда период обзора РЛС будет равен и вероятность обнаружения следующего объекта составит

т. е. будет убывающей функцией параметра (рис. 9.8).

Как уже отмечалось, средняя вероятность правильного распознавания обнаруженного объекта будет тем выше, чем больше , т. е. чем больше его время контакта с РЛС. Соответствующую зависимость вероятности от параметра удобно аппроксимировать функцией

где М — число распознаваемых классов; — параметр определяющий предельно достижимую вероятность правильного распознавания; -корректировочные коэффициенты.

Предположим, что объекты, обнаруженные РЛС, могут относиться к двум классам, вероятности обнаружения и распознавания которых одинаковы. Допустим также, что потери из-за неправильного распознавания радиолокационных целей сопоставимы с потерями при их необнаружении. Тогда в качестве показателя эффективности работы РЛС можно выбрать вероятность правильною обслуживания объекта — вероятность того, что объект будет своевременно обнаружен и затем правильно распознан:

Сформулируем задачу нахождения такого оптимального числа дополнительных зондирований чтобы вероятность достигла максимума. Для этого необходимо решить уравнение которое в общем случае носит трансцендентный характер и не имеет точного аналитического решения. На рис. 9.8 показаны графики, построенные в соответствии с выражениями для вероятностей

Анализ графиков показывает, что для каждой совокупности параметров РЛС существует оптимальное число посылок в направлении на обнаруженный объект с целью его распознавания.

Рассмотрим теперь работу импульсной РЛС кругового обзора, которая обнаруживает объекты по пачке эхосигналов. Число импульсов в пачке зависит от ширины диаграммы направленности антенны в плоскости азимута по уровню заданной мощности: где — число импульсов в пачке; - период обзора — частота посылок импульсов. Угловую скорость объекта будем считать пренебрежимо малой по сравнению со скоростью перемещения

Предположим, что мы изменили ширину в раз причем разрешающая способность РЛС по азимуту при этом оставалась в допустимых пределах. В результате такой процедуры мощность каждого эхосигнала изменится в раз. С другой стороны, отношение энергии сигнала к спектральной плотности шума обеспечиваемое при когерентном накоплении пачки импульсов, изменится в раз пропорционально числу эхосигналов в пачке.

Итоговое отношение сигнал-шум при обработке пачки импульсов определится двумя факторами: число импульсов в пачке изменилось в раз и составило мощность каждого импульса изменилась в раз. Следовательно, изменение ширины в раз приводит к обратно пропорциональному изменению результирующего отношения сигнал-шум при условии когерентной обработки пачки импульсов. Для оценки вероятности правильного обнаружения используем известную формулу учтя коэффициент результирующее отношение сигнал-шум, соответствующее первоначальной ширине

Если коэффициент больше единицы, то расширение приведет к снижению вероятности Энергетические потери могут уменьшить и вероятность правильного распознавания Учтем это, заменив в (9.1) коэффициент сомножителем где — корректировочный параметр.

С другой стороны, увеличение времени контакта с объектом в раз может привести к существенному увеличению вероятности например, за счет выделения турбинной модуляции сигналов. Следовательно, существует такое значение коэффициента при котором вероятность обслуживания

достигает максимума.

Вычисления (рис. 9.9) показали, что в условиях рассмотренного примера увеличение ширины с 1° до 3° приблизительно в 1,53 раза увеличивает вероятность совместного выполнения двух событий: обнаружения объекта и определения номера его класса. Точно ответить о целесообразности изменения ширины можно лишь с учетом дополнительных обстоятельств, в первую очередь связанных с допустимыми характеристиками углового разрешения РЛС.

Рассмотренные примеры хотя и носят условный характер, тем не менее позволяют сделать вывод о необходимости комплексного решения задач обнаружения и распознавания радиолокационных целей. Для этого можно, например, использовать единые устройства обнаружения-распознавания (см. § 9.4). Еще один способ совместного решения таких задач заключается в применении дихотомических процедур, когда сначала простыми способами выделяется множество сигналов, которые могут соответствовать радиолокационным целям, затем с помощью более сложной обработки каждого из них селектируются ложные отметки, а обнаруженным объектам ставятся в соответствие те или иные номера классов заданного алфавита. Расширение возможностей РЛС, связанное с необходимостью распознавания объектов, влияет на ее способности обнаруживать радиолокационные цели. При этом характеристики обнаружения могут изменяться как в так и в худшую Сторону.

Следовательно, при проектировании РЛС, призванных решать задачи обнаружения и распознавания объектов, традиционные методы расчета их параметров не являются оптимальными. В таких случаях зачастую имеет смысл несколько ухудшить характеристики РЛС, определяющие эффективность обнаружения радиолокационных целей, но при этом получить существенный выигрыш в достоверности их распознавания. Если в рамках заданных ограничений эта задача неразрешима, то следует применять специализированные РЛС распознавания, которые могут работать с исходными данными в виде координат объектов, наблюдаемых другими РЛС.

Рис. 9.9