Математическая морфология.
Электронный математический и
медико-биологический журнал. - Т. 13. -
Вып. 1. - 2014. - URL:
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/TITL.HTM
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-41-html/TITL-41.htm
http://www.smolensk.ru/user/sgma/MMORPH/N-41-html/cont.htm
УДК
621.391.161
ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДИКИ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ АПРИОРНОГО
ОПИСАНИЯ ПРИЗНАКА ДВУХПОЛОСНОГО
МЕТОДА РАСПОЗНАВАНИЯ
КЛАССОВ ВОЗДУШНЫХ ЦЕЛЕЙ
Ó 2014 г. Илларионов Е. А.,
Краснов П. В., Семиков Н. Ю.
В данной работе проведено
обоснование методики определения априорного описания признака двухполосного
метода распознавания классов воздушных целей. Фацетная математическая модель
перехода от реальной геометрии объекта к его радиолокационной модели, позволила
перейти к исследованию закономерностей формирования априорных описаний признака
двухполосного метода распознавания. В процессе изучения этих закономерностей
исследовалось влияние государственной принадлежности, подвески вооружения, количества
типов целей, участвующих в формировании априорных описаний признака двухполосного
метода распознавания, влияние диапазонов изменения курса целей, условия участия
в моделировании представителей классов с не типичными геометрическими размерами,
а также влияние диапазона длин волн РЛС.
Ключевые слова: распознавание, модель, геометрия.
Внедрение распознающих
автоматов в образцы радиолокационного вооружения (РЛВ) предполагает решение ряда
задач, связанных с обоснованием алфавита классов; выбором пространства
признаков и правил принятия решений; получением априорных описаний признаков;
тиражированием и хранением их в войсках, а также разработкой методик полигонных
испытаний распознающих систем.
На ранних этапах разработки
распознающих систем определяющими являются первые три задачи, но решая их,
следует предвидеть возможности решения трех последующих задач и особенно формирования
априорных описаний используемых признаков. Важность этого можно
проиллюстрировать на примерах систем распознавания двух образцов РЛВ, принятых
на вооружение СССР в 80-ых годах прошлого века. Это РЛС разведки 22Ж6 «Десна К»
и много функциональная РЛС 9С35 (радиолокатор обнаружения, наведения и
подсвета) СОУ ЗРК «Бук». Принятие их на вооружение сопровождалось большими надеждами,
связанными с высокой информативностью сигнальных признаков, используемых этими
распознающими системами. В первой, при применении сигналов с шириной спектра 75
МГц, удавалось получить радиолокационные дальностные портреты, а во второй – доплеровские
радиолокационные портреты в режиме квазинепрерывного излучения.
Однако реализовать
потенциальные возможности использованных признаков не удалось вследствие ряда
причин, главной из которых оказалось невозможность формирования априорных их
описаний. В памяти распознающих автоматов 22Ж6 необходимо было иметь
дальностные портреты всех возможных типов целей при всех их возможных ракурсах,
а 9С35 доплеровские портреты для всех типов летательных аппаратов при всех режимах
работы их двигателей. Причем, получить их можно было, набрав экспериментальный
статистический материал, в том числе по воздушным объектам противника. Когда
этого не удалось, в распознающих системах рассматриваемых образцов, стали
применять усреднение значений признаков по совокупностям реализаций наблюдаемых
целей. В результате в «Десне К» в качестве априорных описаний признака стали
использовать прямоугольные эталоны всего трех классов целей (бомбардировщик,
истребитель и малоразмерная цель), что свело алфавит распознающей системы к
этим трем классам, плюс воздушные ложные цели при использовании дополнительного
признака – ЭПР цели. В РЛС СОУ распознавание по радиоакустическим портретам
свелось к двум классам – цель имеющая или не имеющая двигательную установку.
В ВА ВПВО ВС РФ предложен и
исследуется двухполосный методы (ДПМ) распознавания классов воздушных целей
[1], отличающихся геометрическими размерами. Натурными и математическими
экспериментами доказана возможность применения ДПМ для распознавания классов
реальных воздушных объектов [2], а также для селекции боевых целей на фоне
ложных воздушных целей и многократных ответных импульсных помех [3].
Характерной особенностью ДПМ
является среднестатистический характер признака, вычисляемого по совокупности
мгновенных реализаций наблюдаемых целей. Вследствие этого ДПМ потенциально не
позволяет классифицировать цели до типа, а только до классов объектов,
отличающихся радиальными размерами. Но зато определение априорных описаний, как
среднестатистических для классов, отличается сравнительной простотой, допуская
возможность их формирования посредством математического моделирования. Это
доказано ранее, путем сопоставления результатов натурных и математических экспериментов
[2], однако отсутствие математической модели воздушных целей, допускающих
простой ввод исходных данных для всех возможных их типов при всех возможных вариантах
подвесного вооружения, ограничивало исследования априорных описаний признака
ДПМ только оценочными результатами.
Разработка фацетной
математической модели перехода от реальной геометрии объекта к его
радиолокационной модели, описанной в [4] позволила перейти к исследованию закономерностей
формирования априорных описаний признака ДПМ. В процессе изучения этих
закономерностей исследовалось влияние государственной принадлежности, подвески
вооружения, количества типов целей, участвующих в формировании априорных
описаний признака ДПМ, влияние диапазонов изменения курса целей, условия
участия в моделировании представителей классов с не типичными геометрическими
размерами, а также влияние диапазона длин волн РЛС.
Закономерности вскрывались
применительно к двум классам СВН: крупно- и среднеразмерные цели (КРЦ И СРЦ). В
начале для всего многообразия наиболее типичных представителей классов КРЦ и
СРЦ (самолёты стратегической и тактической авиации) в диапазоне боевых ракурсов
± 30 градусов относительно продольной оси самолёта) построены распределения для
признака ДПМ, выбрано пороговое значение признака и определены вероятности
правильного и ошибочного распознавания (рисунок 1).
Рисунок 1 –
Гистограммы распределения двух классов СВН (самолеты СА и ТА) для ДПМ
Затем,
используя полученный порог между классами, изучено влияние государственной
принадлежности самолётов класса СРЦ на вероятностные характеристики их
распознавания (рисунок 2, 3). Отсутствие в настоящее время научно обоснованных
требований к этим характеристикам заставляет ориентироваться на наиболее
жёсткие из известных. В [5] для войск ПВО предлагалось иметь вероятность
правильного распознавания не ниже 0,7, а в [6] – не менее 0,9.
Рисунок 2 – Распределение признака ДПМ самолетов
Су-27,Су-25, МиГ-29
Рисунок 3 – Распределение
признака ДПМ самолетов F-15, F-16, F/A-18
Из
рисунков 2, 3 следует, что во всех случаях ошибки распознавания, вызванные государственной
принадлежностью целей, оказываются на порядок меньшими допустимых при наиболее
жёстких требованиях к ним. Это позволяет сделать вывод о том, что в процессе
формирования априорных описаний признака ДПМ путём математического
моделирования могут быть использованы все типы самолётов, как отечественные,
так и зарубежные. Развитием вскрытой закономерности на полигонные испытания
распознающих систем, использующих ДПМ, является возможность их проведения на
базе отечественных самолётов.
На рисунках 4, 5 приводятся результаты
моделирования, вскрывающие влияние вооружения, находящегося на внешних подвесках,
на гистограммы распределений и вероятностные характеристики распознавания
самолётов тактической авиации.
Рисунок 4 – Гистограммы распределения признака ДПМ
для самолетов F-15, F/A-18, А-10 с подвесным
вооружением
Рисунок 5 –
Гистограммы распределения признака ДПМ для самолетов Су-27 и Су-25 с подвесным
вооружением
Из рисунков 4, 5 следует,
что влияние подвесного вооружения приводит к ошибкам на порядок меньших, чем
допустимые. Следовательно, при формировании банка априорных описаний
исследуемого признака можно использовать ограниченное число наиболее массовых
представителей каждого из распознаваемых классов целей при подвеске различных вариантов
вооружения. При проведении полигонных испытаний распознающих систем РЛС,
использующих ДПМ распознавания, нет необходимости в привлечении большого числа
типов самолётов. Достаточно применения 1-2 типов самолетов в классе с подвеской
и без подвески, например, топливных баков.
На рисунках 6, 7 и таблицы 1
приводятся результаты исследований целесообразности участия в формировании
априорных описаний признака ДПМ типов целей, геометрические размеры которых не
типичны для рассматриваемого класса. Получено, что в формировании априорных
описаний могут участвовать только типы целей с характерными для классов размерами.
Типы целей с нетипичными размерами должны исключаться из процесса формирования
эталонных распределений признака.
Таблица 1
Вероятностные характеристики
распознавания отдельных типов самолетов тактической авиации при пороге П
крц-срц=0,45
|
Тип цели |
Вероятностные
характеристики двухполосного
метода распознавания ДПМ |
|
|
Pсрц-крц |
Qсрц-крц |
|
|
F-15 |
0,99 |
0,01 |
|
F-15 с вооружением |
0,96 |
0,04 |
|
F-16 |
1 |
0 |
|
F-16 с вооружением |
1 |
0 |
|
F/А-18 |
0,99 |
0,01 |
|
F/А-18 с вооружением |
0,94 |
0,06 |
|
А-10 |
1 |
0 |
|
А-10 с
вооружением |
0,97 |
0,03 |
|
Су-24 |
0,87 |
0,13 |
|
Су-25 |
1 |
0 |
|
Су-27 |
0,98 |
0,02 |
|
Су-27 с
вооружением |
0,92 |
0,08 |
|
МиГ-29 |
1 |
0 |
|
МиГ-31 |
0,91 |
0,09 |
Рисунок 6 –
Гистограммы распределения признака ДПМ самолета Ту-22 на фоне распределений для
классов КРЦ и СРЦ
Рисунок 7 ‑
Распределение признака ДПМ с исключением самолета Ту-22
Установлено, что априорные
описания признака ДПМ целесообразно формировать с учетом 10º диапазонов
изменения курса цели (рисунок 8, 9). Учет курса позволяет получить прирост
вероятности правильного распознавания в среднем на 0,1. Поправку на курс цели
следует учитывать при обнаружении цели на дальностях, превышающих рубежи
постановки задач при управлении группировкой ПВО. При обнаружении цели на малой
дальности, распознавание цели следует производить за один обзор зоны [1],
используя априорные описания признака для диапазона боевых ракурсов цели.
Рисунок 8 ‑
Гистограммы распределения признака ДПМ для λ=10 см в диапазоне изменения
курса целей 0º ÷ 10º
Рисунок 9 ‑ Гистограммы распределения признака
ДПМ для λ=10 см в диапазоне изменения курса целей 10º ÷
20º
Исследования влияния диапазона
частот РЛС показали, что длина волны несущих колебания практически не влияет на
распределение признака исследуемого метода (рисунок 10, 11). Следовательно, их
легче тиражировать и хранить в войсках, а в процессе полигонных испытаний можно
использовать РЛС с любой длинной волны.
Рисунок 10 – Распределение признака ДПМ самолета F-15 для
трех диапазонов длин волн
Рисунок 11 – Распределение признака ДПМ самолета F/А-18
для трех диапазонов длин волн
Вскрытые, на примере класса
самолетов тактической авиации, закономерности могут быть распространены на
любые, подлежащие распознаванию, классы целей. Они указывают на доступность
получения априорных описаний признака ДПМ расчетным путем, причем не, только
для РЛС разведки, но и для РЛС сопровождения и радиолокационных головок
самонаведения ЗУР. Развитием проведенных исследований будут их приложения к
решению задач селекции боевых целей на фоне ложных.
литература
1. Бондарев Л.А., Илларионов Е.А. Двухполосный метод распознавания радиолокационных целей. Статья. Научный рецензируемый сборник «Вестник войсковой ПВО». Спец. вып. Смоленск: ВА ВПВО ВС РФ, 2009. - С. 73-81.
2. Илларионов Е.А., Сухотин В.В. Некоторые вопросы подготовки и проведения научных исследований двухполосного способа распознавания воздушных целей. Статья. Научный рецензируемый сборник «Вестник войсковой ПВО». Спец. вып. Смоленск: ВА ВПВО ВС РФ, 2009. - С. 81-91.
3. Бондарев Л.А., Краснов П.В. Способы селекции боевых целей на фоне ложных в РЛС разведки боевого и дежурного режимов, использующих двухчастотные сигналы. Статья. Научный рецензируемый сборник «Вестник войсковой ПВО». Спец. вып. Смоленск: ВА ВПВО ВС РФ, 2009. - С. 64-73.
4. Илларионов Е.А. Использование 3D-моделей воздушных целей для исследования двухполосного и двухчастотного методов распознавания классов объектов, отличающихся радиальными размерами. Статья. Научный рецензируемый сборник «Вестник войсковой ПВО». Спец. вып. Смоленск: ВА ВПВО ВС РФ, 2011. - С. 78-88.
5. Военно-техническая
концепция распознавания воздушных и наземных (морских) объектов в Вооруженных
Силах СССР. – М: в/ч 67947. 1991. 137 с.
6. Отчет о НИР
«Самодержец». – Смоленск: НИЦ ВУ войсковой ПВО ВС РФ 2000. – 129 с.
GROUND
OF METHOD OF DETERMINATION A PRIORI
DESCRIPTION OF SIGN OF TWO-BAR METHOD
OF RECOGNITION OF CLASSES OF AIR AIMS
Illarionov Е. А., Krasnov P. V.,
Semikov N. U.
In-process
this the ground of method of determination of a priori description of sign of
two-bar method of recognition of classes of air aims is conducted. Fatsetnaya
mathematical model of transition from the real geometry of object to his
radio-location model, allowed to pass to research of conformities to the law of
forming of a priori descriptions of sign of two-bar method of recognition. In
the process of study of these conformities to the law influencing of the state
belonging, pendants of armament, amounts of types of aims participating in
forming of a priori descriptions of sign of two-bar method of recognition,
influencing of turn-downs course of aims, terms of participation was explored
in the design of representatives of classes with not typical geometrical sizes,
and also influencing of range of wave-changing RLS.
Key
words: recognition, model, geometry.
Военная академия войсковой
ПВО Вооруженных Сил Российской Федерации
имени Маршала Советского Союза А.М. Василевского
(ВА ВПВО ВС РФ)
Поступила в редакцию 24.03.2014.