CC BY
65
Международный научно-исследовательский журнал ■ № 8(39) ■ Сентябрь
Митрофанов Д.Г.
Доктор технических наук,
Общество с ограниченной ответственностью "Смоленский научно-инновационный центррадиоэлектронных систем "ЗАВАНТ" ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДОПЛЕРОВСКИХ ПОРТРЕТОВ КАК ПРИЗНАКОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ ОБЪЕКТОВ
Аннотация
В статье изложены результаты обработки данных натурных экспериментов по регистрации отраженных воздушными объектами сигналов в интересах изучения возможностей их идентификации по совокупности признаков, извлекаемых из структуры доплеровских портретов. Проверен подход использования сверхразрешения при извлечении признаков.
Ключевые слова: доплеровский портрет, признак идентификации, распределение признаков.
Mitrofanov D.G.
PhD in Engineering,
Limited liability company of «Smolensk science-innovation radio electronic systems center «Zavant» DEVELOPMENT USAGE OF DOPPLER PORTRAIT AS THE FEATURES OF OBJECT IDENTIFICATION
Abstract
The results of processing of data of the nature experiments on the registration of the Air Objects reflected signals in the interests of studying their virtual identification by the cumulative evidence taking out of the Doppler Portrait structure are developed. The access of superresolution usage by the feature extraction is tested.
Keywords: Doppler Portrait, feature of identification, feature distribution
Устройства идентификации объектов все чаще используются в сложных технических системах гражданского и военного назначения. В области криминалистики с помощью таких устройств отождествляются лица и почерки, в картографии - ландшафты и дрейфы, а в радиолокации - объекты, отличающиеся типажом, важностью и назначением.
Для работы устройств идентификации используют группы специфических признаков разной информативности. Скалярные признаки, как правило, просты в обращении, но слабоинформативны. Векторные же признаки требуют особо сложных алгоритмов выделения, но вносят более ощутимый вклад в достоверность идентификации.
В локационных системах для классификации (идентификации) воздушных объектов (ВО) стремятся использовать такие векторные признаки как радиолокационные портреты [1,2]. В этом смысле для типовых когерентно-импульсных систем, основанных на сигналах с ограниченным спектром, речь может идти только о поперечных, то есть доплеровских портретах (ДП), формирование которых базируется на принципе инверсного синтезирования апертуры [3].
Скептическое отношение к ДП как признаку идентификации уже неоднократно развеивалось результатами экспериментов, в том числе и натурных. Была показана возможность различения самолетов разных размеров по протяженности ДП, то есть пригодность ДП для классификации [4]. Однако векторные признаки, будучи высокоинформативными, должны решать более фундаментальные задачи, к которым относится идентификация (различение объектов равных размеров, но различной архитектуры).
Для исследования информационных возможностей ДП проведены натурные эксперименты по проверке устойчивости их структуры к изменению частоты зондирования и по построению гистограмм вторичных различительных признаков ДП, используемых при идентификации.
Первая серия натурных экспериментов показала, что при абсолютном расхождении отражательных характеристик (ОХ) ВО, сформированных в идентичных условиях сопровождения на разных частотах зондирования, структура формируемых из ОХ портретов во многом схожа и изменяется по единому закону. В качестве подтверждения на рис. 1 продемонстрирована динамика (процесс эволюций) структуры ДП аэробуса А-319, сопровождаемого двумя локаторами с разносом частот порядка 110 МГц.
41
Международный научно-исследовательский журнал ■ № 8(39) ■ Сентябрь
Рис. 1 - Синхронная динамика ДП в локаторах с разными частотами
Время синтезирования составляло 0,256 с. Ракурс полета А-319 был близок к я/2. Исследуемое время трансформации ДП составляло 2 с. Левой и правой колонкам ДП соответствует периодичное изменение времени с шагом 0,25 с для двух, не совпадающих по частоте радаров. Легко заметить, что одногорбая структура ДП в обоих локаторах сначала разделяется на 2 отклика, а затем синхронно сливается в один отклик. При этом абсолютного совпадения ДП не зарегистрировано. Моменты разделения и слияния откликов в ДП также имеют расхождения, однако столь малое, что оно не может повлиять на результаты идентификации.
42
Международный научно-исследовательский журнал ■ № 8(39) ■ Сентябрь
Изучение эволюций структуры ДП различных ВО показало, что при времени синтезирования Тс=0,5 с и более структура портрета изменяется со временем очень активно, и маловероятна ситуация постоянства скорости поворота ВО в течение такого интервала. Затруднен в этом случае и выбор корреляционным способом информативного интервала синтезирования, на котором угловая скорость за счет рысканий планера близка к нулевой [5]. А снижение Тс до 0,3 с, рекомендуемых автором [6], приводит к тому, что структура ДП на большинстве интервалов становится бедной откликами, число которых не превышает 2-3.
В этом и заключается основное противоречие метода: для повышения информационных свойств ДП время Тс необходимо увеличивать, чего нельзя делать в интересах снижения влияния неравномерных угловых поворотов планера ВО при рысканиях в турбулентной атмосфере. Так возникла задача повышения частотной разрешающей способности в ДП при ограниченности времени когерентного накопления (времени синтезирования), которая может быть решена методами сверхрэлеевского разрешения [7]. Пригодность и продуктивность методов сверхразрешения в задачах извлечения из структуры ДП идентификационных признаков проверялась построением гистограмм распределения этих признаков. Была выдвинута гипотеза о том, что повышение информационных свойств признаков, выделяемых из ДП методами сверхразрешения, позволит определять типы ВО одинаковых размеров в пределах классов. До сих пор ДП обеспечивал различение ВО только разных габаритов [4]. Иначе говоря, эффективное использование ДП ограничивалось задачами классификации ВО.
Предварительная проверка гипотезы была проведена путем построения ДП методом линейного предсказания (одним из методов сверхразрешения) из экспериментальных выборок, приводящих при традиционном синтезировании к формированию одногорбых, не различающихся по структуре ДП объектов различного поперечного размера. В качестве ВО использовались аэробус А-319, военный самолет МиГ-25 и легкомоторный спортивный аппарат Як-52. Портреты этих трех ВО при Тс=0,256 с, использовании стандартного преобразования Фурье, применении алгоритмов компенсации влияния радиальной скорости, ускорения и турбовинтового эффекта имели в своем составе один спектральный отклик, что наглядно отражено на рис. 2 ломаными огибающими 3. При использовании метода линейного предсказания ДП ВО модифицировались в портреты с несколькими откликами (кривые 1 на рис. 2). А истинные положения экстремумов в ДП, соответствующих взаимному расположению рассеивателей на поверхности ВО, и амплитуды откликов, полученные методом сверхразрешения, показаны на ирис. 2 вертикальными отрезками 2. Не различающиеся ранее по числу откликов ДП объектов разных габаритов в модифицированных ДП имеют существенные различия, причем более крупным объектам соответствует большее число откликов в портрете, что согласуется с теоретическими представлениями [2,8].
Однако отдельные частные ДП не позволяют судить об их устойчивых закономерных свойствах. Поэтому портреты различных ВО были рассмотрены в динамике с извлечением из их структуры разных вторичных признаков идентификации в интересах выбора наиболее информативных. При этом изменялся и сам порядок статистической обработки отражений, а именно рассматривалось группирование признаков в пределах всей ОХ, а также только на ее информативном интервале со средними значениями коэффициентов автокорреляции.
43
Международный научно-исследовательский журнал ■ № 8(39) ■ Сентябрь
Для рассмотрения задач идентификации все ВО были разделены по размерам на 3 класса. Классификация была построена с учетом границ габаритов 15 и 30 метров. В класс крупных входили Боинг-747, Ил-76 и аэробус А-319. В классе среднеразмерных значились Су-24, Ан-26 и МиГ-25. К малым ВО были отнесены самолеты Л-39, Ан-2 и Як-52. Тщательно исследовались только отдельные вторичные признаки, а именно ширина А1 ДП (протяженность между крайними составляющими в портрете) и сумма А2 произведений частотных удалений между смежными составляющими (откликами) в ДП на среднее арифметическое их амплитуд. Количество А3 составляющих в ДП как вторичный признак для идентификации ВО оказалось непригодным, так как разные величины этого признака
44
Международный научно-исследовательский журнал ■ № 8(39) ■ Сентябрь
присущи только объектам разных классов. В пределах же класса число откликов практически всегда одинаково (у крупных - 4, у средних - 3, у малоразмерных - 2).
Построение гистограмм вторичных признаков показало, что без применения методов сверхразрешения признаки не дают удовлетворительных оценок. Области пересечения гистограмм значительны, что определяет большие ошибки перепутывания объектов. Ширина ДП, измеренная между пиками откликов, выделенных методом сверхразрешения, позволяет различать объекты в классах только на информативных интервалах обработки. Причем области пересечения гистограмм становятся допустимо малыми даже для ВО малых размеров. Аналогичный результат получен и относительно второго признака А2. Впрочем для некоторых ВО ошибки (области пересечения) остаются значительными. Например, гистограммы признака А2 для самолетов Су-24 и Ан-26 перекрываются почти на половину. Очень важным результатом является то, что области перекрытия гистограмм разных признаков отличаются и ошибки перепутывания по одному признаку могут компенсироваться хорошими расхождениями гистограмм по другому. Наилучшие оценки идентификации, судя по гистограммам распределения, могут быть получены для более габаритных объектов. Направлениями дальнейших исследований являются формирование гистограмм иных признаков ДП, а также получение количественных показателей идентификации по расширенной совокупности признаков.
Таким образом, натурными экспериментами подтверждены устойчивость структуры ДП к изменению частоты зондирования и возможность проведения идентификации ВО одинаковых габаритов в пределах классов, что отрицалось ранее некоторыми исследователями. Полезность сверхразрешения при выделении из ДП признаков идентификации подтверждена уменьшением областей перекрытия гистограмм признаков отдельных ВО.
Литература
1. Радиолокационные системы. Справочник. Основы построения и теория/ Под ред. Я.Д. Ширмана. М., Радиотехника, 2007. 510 с.
2. Митрофанов Д.Г. Комплексный адаптивный метод построения радиолокационных изображений в системах управления двойного назначения // Известия РАН. Теория и системы управления. - 2006. - № 1. - С. 101-118.
3. Митрофанов Д.Г. Построение двумерного изображения объекта с использованием многочастотного зондирующего сигнала // Измерительная техника. - 2001. - № 2. - С. 57-62.
4. Митрофанов Д.Г., Прохоркин А.Г., Нефедов С.И. Измерение габаритов летательных аппаратов в условиях турбулентности на основе инверсного синтезирования апертуры // Измерительная техника. - 2008. - № 8. - С. 24-28.
5. Митрофанов Д.Г. Метод построения радиолокационных изображений аэродинамических летательных аппаратов // Полет. - 2006. - № 11. - С. 52-60.
6. Стайнберг Б. Д. Формирование радиолокационного изображения самолета в диапазоне СВЧ // ТИИЭР, 1988. -Т. 76. - № 12. - С. 26-46.
7. Григорян Д.С., Климов С.А., Митрофанов Д.Г., Прохоркин А.Г. Результаты обработки сигналов радиолокатора сопровождения методами цифрового спектрального анализа со сверхразрешением групповой цели по дальности и скорости // Радиотехника. - 2013. - № 9. - С. 5-11.
8. Митрофанов Д.Г. Формирование двумерного радиолокационного изображения цели с траекторными нестабильностями полета // Радиотехника и электроника. РАН. - 2002. - № 7. - С. 852-859.
References
1. Radiolokacionnye sistemy. Spravochnik. Osnovy postroenija i teorija/ Pod red. Ja.D. Shirmana. M., Radiotehnika, 2007. 510 s.
2. Mitrofanov D.G. Kompleksnyj adaptivnyj metod postroenija radiolokacionnyh izobrazhenij v sistemah upravlenija dvojnogo naznachenija // Izvestija RAN. Teorija i sistemy upravlenija. - 2006. - № 1. - S. 101-118.
3. Mitrofanov D.G. Postroenie dvumernogo izobrazhenija ob#ekta s is-pol'zovaniem mnogochastotnogo zondirujushhego signala // Izmeritel'naja tehnika. - 2001. - № 2. - S. 57-62.
4. Mitrofanov D.G., Prohorkin A.G., Nefedov S.I. Izmerenie gabaritov letatel'nyh apparatov v uslovijah turbulentnosti na osnove inversnogo sintezirovanija apertury // Izmeritel'naja tehnika. - 2008. - № 8. - S. 24-28.
5. Mitrofanov D.G. Metod postroenija radiolokacionnyh izobrazhenij ajerodinamicheskih letatel'nyh apparatov // Polet. -2006. - № 11. - S. 52-60.
6. Stajnberg B. D. Formirovanie radiolokacionnogo izobrazhenija samoleta v diapazone SVCh // TIIJeR, 1988. - T. 76. -№ 12. - S. 26-46.
7. Grigoijan D.S., Klimov S.A., Mitrofanov D.G., Prohorkin A.G. Rezul'taty obrabotki signalov radiolokatora soprovozhdenija metodami cifrovogo spektral'nogo analiza so sverhrazresheniem gruppovoj celi po dal'nosti i skorosti // Radiotehnika. - 2013. - № 9. - S. 5-11.
8. Mitrofanov D.G. Formirovanie dvumernogo radiolokacionnogo izobrazhenija celi s traektornymi nestabil'nostjami poleta // Radioteh-nika i jelektronika. RAN. - 2002. - № 7. - S. 852-859.
45
Международный научно-исследовательский журнал ■ № 8(39) ■ Сентябрь
Нартова Л.Г.1, Гузненков В.Н.2
1 Доктор педагогических наук, профессор,
Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет МАИ);
2
доктор педагогических наук, доцент,
Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана) ИДЕИ И МЕТОДЫ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОМЕТРИИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В ТЕХНИКЕ
Аннотация
Рассматриваются начертательная геометрия и прикладная геометрия, как учебные и научные дисциплины. Приведен пример практического использования методов начертательной геометрии и прикладной геометрии при решении задач конструирования технических поверхностей летательных аппаратов.
Ключевые слова: начертательная геометрия, прикладная геометрия, геометрическое моделирование.
Nartova L.G.1, Guznenkov V.N.2
1PhD in Pedagogy, Professor, Moscow Aviation Institute (National Research University)
2PhD in Pedagogy, Bauman Moscow State Technical University IDEAS AND METHODS OF APPLIED GEOMETRY AND THEIR APPLICATIONS IN ENGINEERING
Abstract
Considered descriptive geometry and applied geometry, as educational and scientific disciplines. An example of the practical use of methods of descriptive geometry and applied geometry in solving the technical design of aircraft surfaces. Keywords: descriptive geometry, applied geometry, geometric modeling.
Начертательная геометрия, как учебный предмет и теоретическое обоснование нового геометрического знания, возникла еще в 19 веке [1]. Ее основателем, как моногамной геометрической области знания, считается по праву выдающийся французский геометр, член Национального института в Париже (который соответствовал по своему научному статусу Академии Наук) Гаспар Монж.
В то далекое время все крупные ученые, как правило, обладали большой эрудицией в различных областях научного знания. Это с полным правом можно отнести к весьма разносторонней научной деятельности Г. Монжа. Ему принадлежат серьезные теоретические изыскания в области математического анализа, в установлении тесных связей с высшей геометрией, в том числе и дифференциальной, и серьезные геометрические интерпретации уже известных научных дисциплин.
В классическом понимании, начертательная геометрия представляет собой ветвь высшей геометрии, основанной на широком применении метода проекционных изображений [2]. Именно так и классифицировал ее и сам Гаспар Монж. Однако, с течением времени, она все больше и больше обрастала глубокой общностью рассуждений, свойственной каждой математической науке. Одновременно возрастала и возможность ее поистине универсального применения в исследовании и конструировании объектов различной природы. Начертательная геометрия все больше и больше начинает играть определенную роль и в математике, физике, химии, кристаллографии и даже в педагогике (параметрический метод построения проекций), и в психологии (в проблемах восприятия пространства различного числа измерений), и т.д [3].
Все это дало возможность еще в прошлом веке отметить характерный двойственный характер начертательной геометрии, причислив ее окончательно к числу прикладных наук, и присвоить ей название - прикладная геометрия. Это немаловажное обстоятельство и позволяет ей выживать и эффективно развиваться в столь долгом временном периоде.
В частности об этом всерьез и основательно упоминается в книге Джона Хоргана «Конец науки»: «Прикладная наука будет жить долгое время, т.к. ученые продолжают разработку новых универсальных материалов:
- более быстрых и сложных компьютеров;
- новых и более перспективных генно-инженерных технологий, делающих нас здоровее, сильнее, увеличивающих продолжительность жизни, и опирающихся на современные достижения математики, в том числе и высшей геометрии...».
В этой связи уместно отметить тот факт, что важнейшей особенностью всякого геометрического знания является поистине универсальная возможность его применения. Так еще академик А.Н. Колмогоров писал: « . однако везде, где это возможно, математики стремятся сделать изучаемые ими проблемы геометрически наглядными, поэтому геометрическая интуиция, геометрическое воображение, пространственные представления, геометрические интерпретации играют существенную роль в процессе изучения различных разделов математики, физики и т.д.». Научно-педагогический комментарий самого Г. Монжа: «Если бы мне снова пришлось начать эту работу (речь идет о написании курса начертательной геометрии), я напечатал бы ее в два столбца: в первом поместил бы решения геометрических задач путем вычисления, а во втором - решения тех же задач, но исполненные путем графических построений. Читатели пожалуй были бы очень удивлены, увидев, что второй столбец почти всегда заслуживал бы предпочтения, как по ясности, так и по простоте доказательств».
Принимая во внимание типологию процесса возникновения новых областей знания, прикладную геометрию можно было бы поместить на границу существования двух основных типов развития наук, типа А и типа С. Поясним это более подробно.
Тип А . Процесс возникновения складывается из возможностей и потребностей исследования новых неизвестных прежде или исследовавшихся спорадически предметных областей.
В нашем случае компонентами является область решения технических задач, основанная на геометрических методах и их интерпретациях, применяющихся в начертательной геометрии плюс САПР (имеется ввиду смысловой эквивалент английского CAD, означающий проектирование с помощью ЭВМ).
46
