автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Бортовая радиолокационная система безопасной посадки вертолета на неподготовленную площадку

На правах рукописи

СЕИН ХТУ

БОРТОВАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА БЕЗОПАСНОЙ ПОСАДКИ ВЕРТОЛЕТА НА НЕПОДГОТОВЛЕННУЮ ПЛОЩАДКУ

Специальность 05.12.14 -Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

13 ФЕВ 2014

0055451«/ Москва-2013

005545187

Работа выполнена на кафедре Радиотехнических приборов Федерального Государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет (Московский энергетический институт) (НИУ «МЭИ»)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

БАСКАКОВ Александр Ильич

Официальные оппоненты: ГУСЕВСКИЙ Владлен Ильич,

доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ОКБ МЭИ

Защита состоится 06 марта 2014 г в 12.00 на заседании диссертационного совета Д 212.157.05 при НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17, аудитория А-402.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет НИУ «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ «МЭИ».

СКНАРЯ Анатолий Васильевич,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИРЭ РАН им. В.А. Котельникова

Ведущая организация: Московский технический университет связи и

информатики

Автореферат разослан « »

2014 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.05 кандидат технических наук, доцент (

Т.И. КУРОЧКИНА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Одной из основных причин аварий вертолетов является ненадежность средств для обеспечения их посадки на не подготовленную посадочную площадку (ПП) в сложных метеоусловиях в дневное и ночное время при плохой визуальной видимости. Даже при хороших погодных условиях, но запыленной земной поверхности возникает опасность для жизни летчика и экипажа при посадке. Дело в том, что массивное пылевое облако, образующееся вихрями воздуха из-за винтов вертолета, существенно маскирует ПП. При этом неровности высотой 0,5 м и более и уклоны ПП более 15° уже представляют опасность для посадки вертолета, особенно при сильном ветре. Большинство вертолетов могут быть оборудованы спутниковыми навигационными системами и бортовыми радиовысотомерами, обеспечивающими летчику при полете и при снижении точное определения координат. Однако, такие системы не могут обеспечивать необходимую информацию о состоянии рельефа ПП и возможных посторонних объектах на ней.

По результатам исследований организаций США Joint Aircraft Survivability (JAS) Program Office и Naval Aviation Center for Rotorcraft Advancement (NACRA) выяснилось, что 80 % аварий вертолетов возникает из-за плохой визуальной видимости при заходе на посадку. Поэтому в последние годы многие зарубежные компании принимают активное участие в развитии систем безопасной посадки вертолета (СБПВ). Например, в работах Zoltan P. Szoboslay, R. Andy McKinlay, Walter W. Harrington изложена разработка бортовых лазерно-радиолокационных СБПВ. В работах A.J.C De Reus, R.J.J. Bakker, Т.С Nijland рассмотрены последние достижения в этой области и выпускаемые в настоящее время СБПВ. Совершенствуются алгоритмы обработки, сбора и отображения информации. Показано, что большинство СБПВ работают на частотах 35 ГГц и 94 ГГц. Ведущими компаниями, занимающимися разработкой СБПВ, на сегодня являются Monterey Technologies, Inc. (Канада), AIREYES, AFDD (Aeroflightdynamics Directorate, Канада), SNC (Sierra Nevada Corporation, США), Microflown Technologies (Голландия) и др.

Радиолокационная интерферометрия из космоса для исследования топографии поверхности Земли изучалась в работах отечественных авторов А.И Захарова, И.В. Елизаветина, Е.А. Ксенофонтова, А.И Баскакова и зарубежных специалистов R.M. Goldstein, S.U. Zisk, L.C. Graham. Однако, сведения о применении радиолокационного интерферометрического метода оценки рельефа ПП при посадке вертолета не встречаются в открытых публикациях, как в России, так и за рубежом.

Актуальность данной работы заключается в исследовании принципов радиолокационной интерферометрической съемки ПП с борта вертолета и анализе возможности обнаружения по разностно-фазовым интерферометрическим изображениям посторонних объектов на ПП и опасных неровностей поверхности с оценкой их ординат.

Цель диссертационной работы. Исследование и разработка принципов действия бортового радиолокатора, обеспечивающего безопасную посадку вертолета на неподготовленную 1111 путем получения радиолокационных изображений опасных неровностей и посторонних предметов на ПП не только по величине их ЭПР, но и радиолокационным интерферометрическим методом. Данная цель ставит ряд вопросов, требующих решения:

1. Модель обратного рассеяния радиоволн поверхностью ПП.

2. Выбор геометрии облучения ПП и исследование ослабления радиоволн миллиметрового диапазона частот в гидрометеорах и в пылевом облаке.

3. Исследование характеристик азимутальной диаграммы направленности бортовой антенны (ДНА) в ближней зоне, а также коррекция ДНА.

4. Выявление информационных признаков посторонних объектов и опасных неровностей на ПП и разработка оптимальных алгоритмов интерферометрической радиолокационной съемки с обоснованием выбора параметров бортовой РЛС.

5. Выбор приемлемой для данной задачи методики раскрытия фазовой неоднозначности и анализ потенциальной точности бортового радиолокационного интерферометра по восстановлению рельефа ПП.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использованы следующие методы исследования: статистическая теория радиолокации, радиотехники и радиофизики, теория радиолгасационной интерферометрии, программные пакеты МАТЪАВ и МаЙгСАО. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Модель обратного рассеяния миллиметровых радиоволн земной поверхностью и исследование потерь при их распространении в гидрометеорах и в пылевом облаке.

2. Определение информационных признаков опасных неровностей и наличия посторонних предметов по разностно-фазовым интерферометрическим изображениям поверхности ПП с борта вертолета.

3. Оптимальный алгоритм радиолокационной интерферометрической съемки ПП и потенциальна;! точность оценки ординат неровностей поверхности.

4. Анализ рельефа посадочной поверхности для безопасности посадки вертолета радиолокационным интерферометрическим методом с выбором пригодных для данной задачи алгоритмов раскрытия фазовой неоднозначности.

5. Разработка компьютерной модели проверки предложенных алгоритмов определения опасных неровностей и посторонних объектов на ПП с борта вертолета.

Научная новизна результатов работы 1. Рассчитана и проверена на компьютерной модели оценка интенсивности фонового сигнала от поверхности ПП и отражений от посторонних объектов на ней, с учетом возможного ослабления миллиметровых радиоволн в пылевом облаке, образующемся вихрями воздуха из-за винтов вертолета, а также в дождях и в туманах для условий, характерных на территории государства Республики Союза Мьянма.

2. Предложена и проверена на компьютерной модели возможность визуализации опасных неровностей рельефа ГШ и наличия посторонних предметов на ней с использованием бортовой интерферометрической PJIC.

3. Разработан оптимальный алгоритм радиолокационной интерферометрической съемки поверхности ПП и проведена оптимизация параметров бортовой PJTC вертолета для достижения максимальной точности определения рельефа.

4. Проведен анализ потенциальной точности измерений радиолокационным интер-ферометрическим методом при широкой вариации исходных данных в зависимости от состояния поверхности ПП, геометрии облучения и параметров широкополосных зондирующих сигналов. При этом показана необходимость учета мелкомасштабной компоненты на поверхности крупного рельефа, вызывающей заметную раскорреляцию отраженных сигналов, приходящих на две антенны.

5. Выбрана и обоснована методика, связанная с раскрытием разносно-фазовой неоднозначности интерферометрических измерений и обработки радиолокационных изображений поверхности 1111, проверенная на компьютерной модели.

Практическая ценность. Полученные результаты являются теоретической и реализационной основой для создания перспективных бортовых радиолокационных СБГТВ, выбора геометрии облучения ПП и расчета оптимальных характеристик при проектировании СБПВ, позволяющих обнаруживать опасные неровности и мешающие объекты на 1111 и увеличить надежность безопасной посадки в запыленной среде в дневных и ночных условиях, а также в сложных метеоусловиях.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы могут быть использованы в академических учреждениях РАН, НИИ и ОКБ, занимающихся разработкой радиолокационных систем дистанционного зондирования и бортовых радиосистем автономной навигации летательных аппаратов.

Достоверность результатов подтверждается компьютерным моделированием, корректным применением радиолокационных интерферометрических методов, а также многочисленными публикациями и выступлениями на различных научно-технических конференциях, одобренных научной общественностью.

Апробация работы. Основные результаты были доложены и одобрены: на научно-технических семинарах кафедры радиотехнических приборов в НИУ «МЭИ»; на Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в НИУ «МЭИ», 2011, 2012, 2013 г; на третьей Всероссийской научно-технической школе - конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" (МГТУ МИРЭА, 2011 г); на Московской молодежной научно - практической конференции «Инновации в авиации и космонавтике - 2012>> Московского авиационного института (национального исследовательского университета) и на V-ой Всероссийской научной конференции "Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред" (МИ ВлГУ, 2012 г) в городе Муроме.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 статей в научно-технических журналах (3 из списка ВАК), 6 тезисов докладов на НТК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений на 15 стр., списка цитируемой литературы из 132 наименований и содержит 155 стр. текста, 60 рисунков и 1 таблицу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении и первой главе дается аналитический обзор публикаций, в которых рассмотрены последние достижения и выпускаемые в настоящее время СБПВ, а также приводятся достоинства и недостатки, характерные для различных методов и алгоритмов, использованных при проектировании СБПВ. Представлены основные достижения по восстановлению топографии Земной поверхности в интерфе-рометрическом режиме. Обосновывается актуальность задачи, поставленной в диссертационной работе, заключающаяся в обнаружении опасных неровностей и посторонних предметов на lili радиолокационным интерферометрическим методом.

Во второй главе конкретизирована постановка задачи. Обосновывается выбор рабочей частоты в связи с минимизацией размера антенны, обеспечением высокой разрешающей способности бортовой PJIC, а также с учетом потерь при распространении радиоволн. Проведен анализ процесса восстановления поля крупномасштабных неровностей поверхности 1111 в предположении линейной трехмас-пггабной модели отражающей поверхности. Согласно этой модели, высота неровности в каждой точке наблюдаемой области поверхности представляет собой линейную суперпозицию трех пространственно-временных полей: 1) поля мелких неровностей, сравнимых с длиной облучающей радиоволны и образующих диффуз-но-рассеянный сигнал; 2) поля крупных неровностей, существенно превышающих X и придающих отраженному сигналу дополнительную амплитудно-фазовую модуляцию; 3) поля мезомасштабного рельефа, определяющего средний уклон подстилающей поверхности. Предполагается, что характеристики мезомасштабного рельефа постоянны в области поверхности ПП. Поля мелких и крупных неровностей считаем взаимно независимыми однородными случайными полями в пространственно-временной области наблюдения. Для обеспечения безопасности вертолета при заходе на посадку со скоростью <15 м/с производится радиолокационная съемка поверхности ПП с высоты H = 50... 100 м. В начале съемки координаты вертолета уточняются с помощью спутниковой навигационной системы. Согласно летному регламенту, необходимо, чтобы размер ПП составлял не менее двух диаметров вертолетного винта, т.е. порядка 90 х 90 м, и перед посадкой вертолет дол-

жен совершить маневр, траектория которого соответствует облету выбранной ПП и приведена на рис. 1 [1,2,3].

Эпжкент разрешили

¿X

Рис. 1. Траектория полета вертолета при обзоре места посадки

Рис. 2. Геометрия облучения для расчета параметров зондирующего сигнала

Две антенны укреплены на хвостовой балке вертолета и движутся вдоль оси у. Приемопередающая антенна Al и приемная антенна А2 связаны «жесткой» базой размером В и направлены на один и тот же участок поверхности ПП (см. рис. 2) [4]. Координаты фазовых центров антенн радиолокационной системы (xbyo,zi) и (x2)y0;Zl) в виде волноводно-щелевых решеток Al и А2 соответствуют положениям при горизонтальной ориентации базы. Соотношение длины линейной антенны 1а = 0,8 м и длины радиоволны излучения Л = 8,6 мм позволяет формировать узкий луч в азимутальной плоскости А а. Однако, при выбранных высотах полета вертолета и размерах ПП, работа PJIC в азимутальной плоскости происходит в ближней зоне антенн, поэтому угловые ДНА в азимутальной плоскости идентичны и одинаковым образом формируются на всем интервале изменения наклонной дальности. В диссертации обсуждается анализ искажений азимутальной ДНА в ближней зоне и необходимость ее коррекции на центр облучаемой ПП. Сделан также учет возможного фазового сдвига между отраженными сигналами, приходящими на Al и А2 из-за наличия параллакса в ближней зоне. Ширина ДНА в угломестной плоскости обеих антенн идентична и охватывает размеры, определяемые ПП в диапазоне углов от 30° до 60°, что дает величину наклонной дальности от Rm-m= 85 м до Дтах= 150 м при выбранной высоте полета Я = 75 м. Высокая разрешающая способность по дальности обеспечивается использованием зондирующего радиосигнала наносе-кундной длительности 5 не, Ах = с /(2Д/С sin в), где в = arccos(#/i?). С учетом разрешающей способности Ьх~ 0,72..1,25 м по дальности и Ау~ 0,8 м по азимуту, обеспечивается малый элемент разрешения площадью AS„= Ах х Ду~ 0,58 ...1м и высокая детальность получаемой информации. Отражения от элементарной разрешаемой площадки ASn образуют единичный отсчет принимаемого сигнала, соответствующий и-му интервалу дальности. Будем считать, что АА- неизвестная высо-

та разрешаемой площадки, складывающейся из крупномасштабных неровностей и приращений мезомасштабного рельефа, отсчитываемых от плоскости го = О [5].

Разработана теоретическая модель обратного рассеяния земной поверхностью на частотах 35 и 94 ГГц при различных поляризациях. Моделируется обратное рассеяние радиоволн для различных типов поверхностей, используя полуэмпирическую модель трех типов поляризации - горизонтальной (НН), вертикальной (УУ) и кросс-поляризации (НУ) [1,6,7], удельная ЭПР которых

айуу=3^-1Туг{в) + Тннт,

Г?

0)

(2) (3)

где в - угол падения, /; = [1-(2%)1/(ЗГо) ехр(-0,4 ■ £ = 2,2(1 - ехр[-0,2 • &]),

? = 0,23пУ2[1-ехр(-0,58т6>-&у)], х = 3,5 + -1ап"1[Ю(1,64-А5)], Гуу(в) и Тнн(в)

к

- коэффициенты отражения Френеля для соответствующей поляризации,

_ „„О "НН -P<->W „О

"ну - ч"w'

го =

1

- коэффициент отражения в надир, k = — - волновое число.

Л

По данным соотношениям для четырех типов поверхностей (влажное вспаханное поле, сухой песок, бетонная полоса, мокрая асфальтированная дорога) сделаны расчеты удельной ЭПР в зависимости от угла облучения, поляризации и размера мелкой шероховатости поверхности.

На рис. 3 приведены (с использованием (1), (2) и (3)) зависимости удельной

ЭПР в децибелах от угла падения и поляризации излучения на частотах 35 ГТц и 94

ГГц. Расчет ЭПР проводился в диапазоне углов падения от 30° до 60°.

-10|

- Юг

Рис. 3. Зависимости удельной ЭПР мокрой асфальтированной поверхности от угла падения при трех поляризациях на (а) 35 ГГц, (б) 94 ГГц

40 50

Угол облучения, град (а)

40 30 60

Угол облучения, град (б)

В результате обратного рассеяния создается фон, заметно влияющий на характеристики обнаружения посторонних объектов на ПП, тогда их обнаружение должно проводиться с учетом отношения сигнал/(фон + шум). В недавних публикациях отечественных авторов Верба B.C., Соколова A.B., Быстрова Р.П., Борзова

А.Б. и др. разработаны новые эффективные алгоритмы автоматизации обнаружения неподвижных и медленно движущихся техногенных объектов по контрасту их ЭПР на фоне отражений от поверхности Земли и по поляризационным признакам. В диссертации рассчитаны энергетические соотношения сигнал/(фон + шум) для техногенных объектов на ГШ вертолета, которые показали значения, достаточные для использования этих алгоритмов обнаружения. При этом в диссертации показана возможность существенно повысить визуализацию техногенных объектов на ПП при использовании разносно-фазовой информации отраженных сигналов, приходящих на две антенны. Обнаружение же опасных неровностей рельефа 1111, таких как холмы и овраш, должно проводиться с учетом отношения фон/шум, и раз-носно-фазовая информация позволяет выделить на радиолокационных изображениях крупные неровности рельефа с определением их относительной высоты.

В диссертации выполнен расчет энергетических соотношений для когерентной бортовой PJIC при Рпрд = 1 Вт, ти =5 не, Тп =100 мкс, фактор шума ПРМ 2 дБ, коэффициент усиления антенны G = 30 дБ, при выбранной геометрии облучения, разных типах поверхности и посторонних объектов на ПП.

Проведено исследование ослабления радиоволн миллиметрового диапазона в пылевом облаке, образующемся вихрями воздуха из-за винтов вертолета, а также в дождях и в тумане, и сделан окончательный выбор рабочей частоты 35 ГТц, поскольку применение частоты 94 ГТц приводит к большим потерям при распространении в интенсивных дождях и туманах, характерных для территории государства Республики Союза Мьянма [5].

R=10 мм/ч Re20 ММ/Ч R=50 ММ/Ч R-100 ММ/Ч

»— R=200 мм/ч I II I I I I

за до 1.1 аа m so м 160 Видимость, м

Рис. 5. Зависимость ослабления радиоволн для различной видимости в пылевом облаке от винтов вертолета

Частота, ГГц

Рис. 4. Зависимость ослаоления радиоволн от частоты при различных интенсивностях доэвдя Я (мм/ч)

Третья глава посвящается разработке оптимального алгоритма радиолокационной интерферометрической съемки поверхности 1111 для бортовой РЛС, которая должна давать возможность получения высококачественного трехмерного изображения ПП с определением характера рельефа с требуемой точностью. Радиолокационные эхо-сигналы, излучаемые первой антенной и полученные в двух приемниках, после соответствующей обработки формируют интерферограмму [2,3].

Алгоритм расчета ординаты элемента разрешения по разности фаз сигналов, приходящих на две антенны с одного и того же элемента разрешения, из геометрии визирования определяется следующим выражением (см. рис. 2)

г = Я-ДЬ

I-

дг + в-

2ДЙ1

гвт

(4)

где Ю - наклонная дальность, Я - высота полета вертолета, а - наклон базы относительно горизонта, в нашем случае равен нулю, В - антенная база интерферометра, Ф = {2я/Л) - Вътв - разность фаз, к - волновое число.

Общая погрешность измерения ординаты 2 вызвана следующими причинами: дисперсией оценки высоты элемента разрешения а^Ф из-за погрешности оценки разности фаз; погрешностью юстировки угла наклоны базы погрешностью измерения высоты полета вертолета сг|я; погрешностью измерения расстояния до элемента разрешения а^щ; погрешностью неточного знания размера базы а\в. При определении высоты полета вертолета среднеквадратичную ошибку оценки высоты Н можно уменьшать до нескольких сантиметров с помощью современных радиовысотомеров, другие составляющие определяются конструктивными особенностями антенной системы и стабильностью пилотирования вертолета.

Интерферограмма радиолокационной съемки формируется в РЛС умножением одного изображения на комплексно-сопряженное второе изображение того же сюжета, но полученное с другой антенны. Модель радиоинтерферометрической

съемки, использующей два комплексных изображения, показана на рис. 6,

где ехр(.) представляет сдвиг фазы, появляющейся из-за распространения радиоволн, д[ 2 ~ импульсная характеристика, п - тепловой шум, ¿¡ 2 - комплексный выходной сигнал РЛ системы,

Вр - задержка для компенсации запаздывания сигнала на базе. Для анализа разности фаз применяем метод максимального правдоподобия, тогда оценка разности фаз с каждого элемента разрешения на поверхности определяется, как

арНед+лу) «г Рис. 6. Модель ингерферометрической съемки

Ф = агйап

1т

n . *

'Яе

n . •

(5)

где N - кратность некогерентного накопления.

Погрешность оценки разности фазы сгф, которая возникает при обработке эхо-сигналов можно записать в виде

Г.,

(6)

где уя - корреляционная связь эхо-сигналов, приходящих на две антенны [3]

ГЧ-

№v)Mx(Cix) _

1 +

X

(7)

/(П^) - функция «база-декорреляция», характеризует декорреляцию сигналов из-за

разноса двух антенн и за счет изменения размеров элемента разрешения на поверхности,

2 Г &хВсо$(а -(9)4)2

-2л'

ÀHtgû

- характеристическая функция мелких неров-

ностей поверхности в пределах элемента разрешения, определяющая степень де-

корреляции сигналов за счет наличия мелкой шероховатости со среднеквадратичной ординатой ах на крупном рельефе ПП, д - отношение сигнал/шум.

На точность измерения ординаты г наиболее существенное влияние оказывается погрешность измерения разности фаз сигналов интерферометра. В работе показано, что при данной геометрии облучения, флуктуационная ошибка измерения ординат элемента разрешения сгф определяется соотношением

-<Тф-

2KBcos{CC-6)

Исследование показало, что существует оптимальная антенная база радиоинтерферометра В, которая выбирается по минимальной погрешности измерения ординаты z. Кратность некогерентного накопления с каждого элемента разрешения равна N = 16, высота полета вертолета H =75 м. На рис. 7 показана рассчитанная потенциальная точность метода - зависимость флуктуационной погрешности измерения высоты элемента разрешения агф от размера антенной базы В при различных в и ох [3,9,10].

о1

0.15 0.1 0.05 0

m

- 0=30 град. • 6=45грзд. 6=601рад.

M

0.15 0.1 0.05

г -------- « ь ■ t » —--J — 6=30град. ... 0=45град. *•— 0=60 град. .

> <

Рис. 7. Зависимость флуктуационной погрешности измерения ординат элемента разрешения сггф от размера антенной базы В при различных углах визирования и различных ах- ах = 7,8 мм (а),

0.5

В, м

t.5

OJ

(а)

Дм

(б)

1.5 а у = 2,62 мм (б)

Видно, что при малой антенной базе чувствительность системы к рельефу слабая, а при большой В возникает раскорреляция сигналов, приходящих на две антенны, и уменьшается коэффициент корреляции. Это приводит к ухудшению точности, следовательно, имеет место оптимальный размер антенной базы В порядка 70 см, при которой погрешность оценки ординат рельефа ПП минимальна. При данной геометрии облучения размер антенной базы сильно зависит от характеристик мелкой шероховатости <?х на поверхности более крупного рельефа ПП, что также приводит к заметной раскорреляции отраженных сигналов, принятых антеннами. В результате облучения поверхности ПП получаем радиояркостную картину отражения по элементам разрешения, на которую накладывается разностно-фазовая зависимость, охватывающая все элементы разрешения ПП. Это является исходным материалом для построения рельефа ПП.

Четвертая глава посвящается разработке компьютерной модели с помощью программного пакета МАТЪАВ, обеспечивающей проверку алгоритма визуализации и оценки опасных нервностей и посторонних предметов на ПП вертолета по интенсивности рассеянных поверхностью радиолокационных сигналов с разных углов наблюдения и по результатам радиолокационной интерферометрической съемки. Для модели поверхности ПП и формирования радиолокационного рельефа используется феноменологическая модель. Согласно этой модели отражающая поверхность, показанная на рис. 8, моделируется в виде совокупности независимых элементарных отражателей - "блестящих точек", находящихся на расстоянии интервала корреляции поверхности 12. Ординаты высот И(х,у) отражателей распределены по нормгшьному закону (мелкие неровности). При таком подходе сигнал, отраженный от каждого элемента разрешения, является суммой парциальных сигналов от отражателей внутри этого элемента

0 = "£1 (9)

/=0 /=0

где пхкпу — число парциальных отражателей по осямхиу соответственно.

На рис. 8 более темным цветом показаны отражатели, участвующие на данном такте моделирования. В качестве исходной поверхности ПП сформировано вспаханное поле, на котором моделируется наличие опасных неровностей типа холма и оврага, а также асфальтированная дорога и пруд (см. рис. 9). Среднеквадратичная ордината шероховатостей для вспаханного поля и его неровностей составляет 7,8 мм, для асфальтированной дороги- 1,5 мм, для пруда - 1 мм, соответственно. Диэлектрическая проницаемость для них соответственно равна 5,9^^3,5; 2,5+^0,65и 7,4+]4,8.

Размер юсадочшй ячощайш-90*90м Для формирования радИОЛОКационного рельефа выбираем следующие параметры: длина линейной антенны 1= 0,8 м, антенная база интерферометриче-ской съемки 5=0,7 м и высота полета вертолета Н =15 и, диапазон углов визирования от вертикали в =30°...60°, корреляционный интервал поверхности I = 0,2 м. Число отражателей, участвующих в формировании эхо-сигнала от каждого элемента разрешения определяется по осяХя У: пх = Ах/1, пу = Ду II, соответственно.

На асфальтированной дороге установлен техногенный посторонний объект -автомобиль. Надежность обнаружения повышается с увеличением кратности измерений, а также путем обнаружения по интенсивности рассеянных ПП широкополосных сигналов, полученных с разных углов наблюдения. Из рис. 10 видно, что шумовой эффект наблюдается при работе на слабо отражающей части (дальняя область) ПП, а также в области радиолокационной тени.

1=0 ... (щ.у, )=0...(пг1) Рис. В. Схема расположения отражателей на ПП

2 I

> I

зо I

£ I

! I

X, м

Рис. 9. Исходная модель ПП с наличием разных опасных неровностей и автомобиля

Х,м

Рис, 10. Яркостное радиоизображение, имитирующее ПП, представленную на рис. 9 без учета шумов.

Для уточнения ординат неровностей рельефа ПП получены интерферометри-ческие радиолокационные изображения с разных углов наблюдения при облете ПП. Промоделированы разностно-фазовые изображения (РФИ) в пределах ра-

бочей области для трех ситуаций на поверхности ГШ: наличие уклона, вспаханное поле с двугорбым холмом, наличие автомобиля. После получения РФИ осуществляется операция устранения составляющей плоской поверхности Земли. Для решения задачи развертывания фазы выбран один из основных алгоритмов двухмерного разворачивания фазы, называе-х'м мый методом наименьших квадратов

Рис. 11. Яркостное радиоизображение, ими- (Least Squares Method), тирующее ПП, представленную на рис. 9 с учетом шумов ( фон/шум - 10 дБ)

Зависимость между разносно-фазовыми значениями в каждом элементе разрешения и изменениями высоты рельефа определяется следующим вырождением

z — --ЗФ=к7-6Ф', (12)

4язВ cos 0

где 5Ф' - развернутая фаза. Из (12) следует, что для получения данных об ординатах рельефа восстановленные фазовые значения должны быть умножены на коэффициент масштабирования развернутой фазы, зависящий от длины волны, размера базы, высоты полета вертолета и угла места цели.

Результаты имитационного моделирования интерферометрической обработки сигналов, рассеянных заданными типами поверхности ПП, представлены на рис. 12 - 14. На этих рисунках представлены интерферограммы при большом и малом отношениях фон/шум, сигнал/(фон+шум).

(в) (г)

Рис. 12. Интерферограмма плоской поверхности (а), уклон (3°) (б) и соответствующая ему ин-терферограмма (в), окончательная интерферограмма, полученная после устранения составляющей плоской поверхности Земли (г), (отношение фон/шум = 20 дБ)

После устранения составляющей плоской поверхности Земли, используя (12), восстанавливается уклон, равный 3°.

Рис. 13. Интерферограмма плоской поверхности о учетом шумов (а), интерферограмма уклона (3°) (б), полученная после устранения составляющей плоской поверхности Земли, (отношение фон/шум = 10 дБ)

Промоделированы РФИ для вспаханного поля с двугорбым холмом на поверхности ПП, максимальная высота холма - 2 м. На рис.14 (а) в аксонометрии показан вид крупной неровности, на рис. 14 (б) показана РФИ данного сюжета, из которого следует наглядная визуализация этой неровности на поверхности ПП. После удаления составляющей плоской поверхности Земли и раскрытия фазовой неоднозначности по методу Least Squares Method получаем изображение с развернутой фазой, являющейся исходной информацией для восстановления высоты рельефа.

Рис. 14. Вспаханное поле с двугорбым холмом (а), соответствующая интерферограмма (б), интерферограмма, полученная после устранения составляющей плоской поверхности (в) и восстановленный рельеф (г), (отношение фон/шум = 20 дБ)

На рис. 15 (а) показана интерферограмма двугорбого холма при отношении фон/шум - 10 дБ, а на рис. 15 (б) восстановленный при этом рельеф.

(а) ■ (б)

Рис. 15. Интерферограмма вспаханного поля с двугорбым холмом (а), и восстановленный рельеф (б), (отношение фон/шум = 10 дБ)

Местоположение холма на ПП соответствует углу облучения 45°, наличие мелких неровностей на поверхности крупного рельефа ах = 7,8 мм, размер базы -

0,7 м. Потенциальная точность измерения ординаты элемента разрешения, соответствующая рис. 8, при тех условиях составляет 0,035 м. Результаты моделирования по восстановлению рельефа показали, что максимальная высота холма при отношении фон/шум - 20 дБ составляет 2,053 м, а при отношении фон/шум - 10 дБ она составляет 2,135 м.

(а) (б)

Рис. 16. Интерферограмма, соответствующая наличию автомобиля на асфальтированной дороге (а) и интерферограмма, полученная после устранения составляющей плоской поверхности (б), (отношение фон/шум = 20 дБ, отношение сигнал/(фон+шум) = 5дБ)

На рис. 16. (а) показана интерферограмма, соответствующая асфальтированной дороге с наличием автомобиля, а на рис. 16 (в) показана интерферограмма после удаления составляющей плоской поверхности Земли, из которой следует наглядная визуализация техногенного объекта на поверхности ПП.

Г

2 1

1,5 I й О.

0.5 й

0

-0.5 ■1 ■1.5 Ё О К й

■1

-2.5

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. В диссертации обоснован выбор рабочей частоты 35 ГГц в связи с минимизацией размера антенны, обеспечением высокой разрешающей способности, а также с учетом потерь при распространении радиоволн в пылевом облаке, образующемся из-за винта вертолета и в гидрометеорах, характерных для территории государства Республики Союза Мьянма.

2. Процесс восстановления поля неровностей поверхности ПП проведен в предположении наличия на отражающей поверхности: мелких неровностей, сравнимых с длиной облучающей радиоволны; крупных, опасных для вертолета неровностей, существенно превышающих X и придающих отраженному сигналу допол-

нительную амплитудно-фазовую модуляцию; наличия возможного среднего уклона подстилающей поверхности.

3. В результате обратного рассеяния от ПП создается фон, заметно влияющий на характеристики обнаружения посторонних объектов, и их обнаружение должно проводиться с учетом отношения сигнал/(фон + шум). В диссертации рассчитаны энергетические соотношения сигнал/(фон + шум) для техногенных объектов на ПП вертолета, которые показали значения, достаточные для использования традиционных автоматизированных алгоритмов обнаружения. В то же время в диссертации показана возможность существенно повысить визуализацию техногенных объектов на ПП при использовании разносно-фазовой информации отраженных сигналов, приходящих на две антенны. Обнаружение же опасных неровностей рельефа ПП, таких, как холмы и овраги, должно проводиться с учетом отношения фон/шум, и разносно-фазсвая информация позволяет выделить на радиолокационных изображениях крупной неровности рельефа с определением их относительной высоты.

4. Разработан оптимальный алгоритм радиолокационной интерферометрической съемки поверхности ПП и проведена оптимизация параметров бортовой РЛС вертолета для достижения максимальной точности определения рельефа. Проведен анализ потенциальной точности измерений радиолокационным интерферометриче-ским методом при широкой вариации исходных данных в зависимости от состояния поверхности ПП, геометрии облучения и параметров широкополосных зондирующих сигналов. При этом показана необходимость учета мелкомасштабной компоненты на поверхности крупного рельефа, вызывающей заметную раскорре-ляцию отраженных сигналов, приходящих на две антенны.

5. В диссертации показано, что существует оптимальная антенная база. При малой антенной базе чувствительность системы к рельефу слабая, а при большой возникает раскорреляция сигналов, приходящих на две антенны, и уменьшается коэффициент корреляции.

6. Обоснована методика, связанная с раскрытием разносно-фазовой неоднозначности интерферометрических измерений и обработки радиолокационных изображений поверхности ПП, проверенная на компьютерной модели.

7. Получены результаты имитационного компьютерного моделирования интерферометрической обработки сигналов, рассеянных разными типами поверхности ПП. В работе представлены интерферограммы при большом и малом отношениях фон/шум, сигнал/(фон+шум).

8. Предложена и проверена на компьютерной модели возможность оценки ординат рельефа ПП с использованием интерферометрического метода, при этом полученные точностные характеристики восстановления рельефа ПП согласуются с теоретическими.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК России:

1. Сейн Хту, Баскаков А.И. Особенности отражения и расчет энергетических характеристик для проектирования бортовой РЛС безопасной посадки вертолета // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. № 2(2), 2011, С. 49-55.

2. Сейн Хту, Баскаков А.И. Выбор оптимальной антенной базы для ин-терферометрической РЛС безопасной посадки вертолета» // Журнал «Вестник МЭИ» № 6,2013, С. 213-218.

3. Сейн Хту, Баскаков А.И. Использование интерферометрической РЛС анализа рельефа посадочной поверхности для безопасности посадки вертолета // Электронный журнал «Труды МАИ», № 57, 2012г. , Ь«р:/Ау\улу.та!.ги/5с!епсе/(ги6у/риЬН8Ьес1.рЬр?Ш=30698. (электронный журнал).

Другие статьи и материалы конференций:

4. Сейн Хту, Баскаков А. И. Принципы реализации бортовой радиолокационной системы безопасной посадки вертолета. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Семнадцатая научнотех. конф. студентов и аспирантов: Тезисы докладов В 3-х т. Т. 1.- М.: Изд. дом МЭИ, 2011, С. 127-128.

5. Сейн Хту, Баскаков А.И. Исследование ослабления радиоволн в гидрометеорах и в пылевом облаке для бортовой радиолокационной системы безопасной посадки вертолета. Радиотехнические тетради № 44, 2011, С. 45-48.

6. Сейн Хту, Баскаков А. И. Расчет интенсивности фонового сигнала от поверхности земли для бортовой радиолокационной системы безопасной посадки вертолета. Радиотехнические тетради № 46, 2011, С. 22-27.

7. Сейн Хту. Расчет интенсивности помехового сигнала при проектировании бортовой РЛС безопасной посадки вертолета //Материалы Международной научно-технической конференции «МШШАТЮ - 2011», 14-17 ноября 2011 года, МГТУ (МИРЭА), Москва, С. 84-88.

8. Сейн Хту, Баскаков А.И. Бортовая радиолокационная система безопасной посадки вертолета // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Восемнадцатая международная научнотех. конф. студентов и аспирантов: Тезисы докладов в 4 т. Т. 1.-М.: Изд. дом МЭИ, 2012, С. 120.

9. Сейн Хту, Баскаков А.И. Использование интерферометрической РЛС анализа рельефа посадочной поверхности для безопасности посадки вертолета //

Московская молодёжная научно-практическая конференция «Инновации в авиации и космонавтике - 2012». 17-20 апреля 2012 года, МАИ (НИУ), Москва. Сборник тезисов докладов. - М.: ООО «Принт-салон». С. 98.

10. Сейн Хту, Баскаков А.И. Выбор параметров геометрии облучения посадочной площадки для построения бортовой интерферометрической PJIC безопасной посадки вертолета. Труды конференции «Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред» и Молодёжной школа-конференции «Проблемы дистанционного зондирования, распространения и дифракции радиоволн», Муром 2012. http://www.mivlgu.ru/confyarmand2012/index.html

11. Сейн Хту, Баскаков А.И. Разработка компьютерной модели проверки алгоритма оценки неровностей посадочной площадки для вертолета» // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тезисы докладов в Девятнадцатой научно-тех. конф. студентов и аспирантов, НИУ «МЭИ», 2013, С. 122.

Подписано в печать ХЬ'ОЬ &9/Ц Печ. л. Тираж Заказ

Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул.д.13.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МЭИ»

04201455993

СЕЙН ХТУ

БОРТОВАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА БЕЗОПАСНОЙ ПОСАДКИ ВЕРТОЛЕТА НА НЕПОДГОТОВЛЕННУЮ ПЛОЩАДКУ

Специальность 05.12.14 -Радиолокация и радионавигация

На правах рукописи

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель, доктор технических наук, профессор А.И. Баскаков

Москва-2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................4

1. Аналитический обзор систем безопасной посадки вертолета и формулирование цели диссертационного исследования...................................10

1.1. Анализ бортовых систем безопасной посадки вертолета ..........................10

1.2. Обзор методов получения цифровой модели рельефа подстилающей поверхности.......................................................................................14

1.3. Выводы к главе 1.................................................................................24

2. Выбор параметров радиолокатора и расчет энергетических соотношений

......................................................................................................25

2.1. Требования к обеспечению безопасности вертолета при заходе на посадку

..................................................................................................................................25

2.2. Выбор параметров бортовой РЛС, геометрия задачи и принцип действия бортовой РЛС.....................................................................................26

2.3. Расчет характеристик антенной системы для бортового радиолокатора безопасной посадки вертолета................................................................29

2.4. Модель обратного рассеяния радиоволн земной поверхностью................40

2.5. Исследование ослабления радиоволн в гидрометеорах и в пылевом облаке для СБПВ..............................................................................................44

2.5.1. Ослабление радиоволн в дожде...................................................44

2.5.2. Ослабление радиоволн в тумане.................................................46

2.5.3. Ослабление радиоволн в пылевом облаке......................................48

2.6. Расчет энергетических соотношений для СБПВ.................................... 50

2.7. Выводы к главе 2..........................................................................57

3. Анализ рельефа посадочной площадки для безопасной посадки вертолета интерферометрическим методом............................................................................59

3.1. Постановка задачи для разработки интерферометрической съемки.............59

3.2. Точностные характеристики ИРЛС..........................................................61

3.3. Выбор геометрии облучения ГШ........................................................70

3.4. Структурная схема бортовой радиолокационной системы безопасной посадки вертолета..........................................................................................73

3.5. Выводы к главе 3 .............................................................................75

4. Разработка компьютерной модели проверки алгоритма оценки опасных неровностей и посторонних объектов на посадочной площадке вертолета

........................................................................................................................................76

4.1 Исходные данные............................................................................77

4.2. Формирование радиолокационного рельефа.............................................78

4.3. Формирование отраженных сигналов................................................80

4.4. Обработка сигналов методом прямой свертки в каждом канале.....................82

4.5. Обработка радиолокационной интерферометрической съемки..................86

4.5.1. Оценка интерферометрической разности фаз........................................87

4.5.2. Раскрытие фазовой неоднозначности (развертывание фазы)...............88

4.5.3. Оценка ординат из развернутой фазы............................................91

4.6. Выводы к главе 4..........................................................................121

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................................130

ЛИТЕРАТУРА..........................................................................................................134

ПРИЛОЖЕНИЕ.......................................................................................................147

ВВЕДЕНИЕ

Одной из основных причин аварий вертолетов является ненадежность средств для обеспечения их посадки на не подготовленную посадочную площадку (ГШ) в сложных метеоусловиях в дневное и ночное времени при плохой визуальной видимости. Даже при хороших погодных условиях, но запыленной земной поверхности возникает опасность для жизни летчика и экипажа при посадке, дело в том, что массивное пылевое облако, образующееся вихрями воздуха из-за винтов вертолета, существенно маскирует ПП, как показано на рис. 1. При этом неровности высотой 0,5 м и более и уклоны ПП более 15° уже

представляют опасность для посадки вертолета, особенно при сильном ветре.

—МИ НМШНШШШ^ - : " -

Рис. 1. Посадка вертолета в пылевом облаке Большинство вертолетов могут быть модернизированы, чтобы выдержать сильные дожди и песчаные бури, а также могут быть оборудованы спутниковыми навигационными системами и бортовыми радиовысотомерами, обеспечивающими летчику при полете и при снижении вертолета точность определения координат. Однако, такие системы не могут обеспечивать необходимую информацию о состоянии рельефа ПП и возможных посторонних объектах на ней.

По результатам исследований организаций США Joint Aircraft Survivability (JAS) Program Office и Naval Aviation Center for Rotorcraft Advancement (NACRA) выяснилось, что 80 % аварий вертолетов возникает из-за плохой визуальной видимости при заходе на посадку. В результате это приводит к потере

жизни многих людей и затрат на оборудование в размере около 100 миллион долларов в год [1]. Поэтому в последние годы многие компании западных стран принимают активное участие в развитие систем безопасной посадки вертолета (СБПВ).

Первые работы по исследованию и созданию СБПВ проводились в инжиниринговой корпорации Н. N. Burns в соответствии с договором о научных исследованиях ВВС США. Разработка бортовых лазерно-радиолокационных СБПВ изложены в работе [2]. Также в [3] рассмотрены последние достижения в этой области и в настоящее время выпускаемые СБПВ. Созданы и продолжают создаваться и совершенствоваться алгоритмы обработки, сбора и отображения информации для СБПВ. Показано, что большинство этих СБПВ работают на частотах 35 ГГц и 94 ГГц.

Ведущими компаниями, занимающимися производством СБПВ в настоящее время, являются Monterey Technologies, Inc. (Канада), xVS, LLC (США), AIREYES, AFDD (Aeroilightdynamics Directorate, Канада), SNC (Sierra Nevada corporation, США), Microflown Technologies (Голландия) и др. Для оценки топографии опасных неровностей и для обнаружения посторонних объектов на ПП используются радиолокационные методы, изложенные в работах таких авторах, как Szoboszlay, Z., Turpin Т., и др [4,5].

Практическое использование для определения рельефа подстилающей поверхности находят интерферометрические методы. Радиолокационная интерферометрия из космоса для исследования топографии поверхности Земли изучалась в работах отечественных авторов А.И Захарова, И.В. Елизаветина, Е.А. Ксенофонтова, А.И Баскакова и зарубежных специалистов Zhifeng Guo, Jon Ranson К., Kong J.A, Paolo Pampaloni [6,7,8,9,10]. Однако, сведения о применении радиолокационного интерферометрического метода оценки рельефа ПП при посадке вертолета не встречаются в открытых публикациях, как в России, так и за рубежом.

Актуальность данной работы заключается в исследовании принципов радиолокационной интерферометрической съемки ПП с борта вертолета и анали-

зе возможности обнаружения по разностно-фазовым интерферометрическим изображениям посторонних объектов на ПП и опасных неровностей поверхности с оценкой их ординат.

Таким образом, сформулируем цель данной диссертационной работы: Цель диссертационной работы

Исследование и разработка принципов действия бортового радиолокатора, обеспечивающего безопасную посадку вертолета на неподготовленную ПП путем получения радиолокационных изображений опасных неровностей и посторонних предметов на ПП не только по величине их ЭПР, но и радиолокационным интерферометрическим методом. Данная цель ставит ряд вопросов, требующих решения:

1. Модель обратного рассеяния радиоволн поверхностью ПП,

2. Выбор геометрии облучения ПП и исследование ослабления радиоволн миллиметрового диапазона частот в гидрометеорах и в пылевом облаке.

3. Исследование характеристик азимутальной диаграммы направленности бортовой антенны (ДНА) в ближней зоне, а также коррекция ДНА.

4. Выявление информационных признаков посторонних объектов и опасных неровностей на ПП и разработка оптимальных алгоритмов интерферометриче-ской радиолокационной съемки с обоснованием выбора параметров бортовой РЛС.

5. Выбор приемлемой для данной задачи методики раскрытия фазовой неоднозначности и анализ потенциальной точности бортового радиолокационного интерферометра по восстановлению рельефа ПП.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использованы следующие методы исследования: статистическая теория радиолокации, радиотехники и радиофизики, теория радиолокационной интерферометрии, программные пакеты МАТЬАВ и МаШСАБ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Модель обратного рассеяния миллиметровых радиоволн земной поверхностью и исследование потерь при их распространении в гидрометеорах и в пылевом облаке.

2. Определение информационных признаков опасных неровностей и наличия посторонних предметов по разностно-фазовым интерферометрическим изображениям поверхности ГШ с борта вертолета.

3. Оптимальный алгоритм радиолокационной интерферометрической съемки 1111 и потенциальная точность оценки ординат неровностей поверхности.

4. Анализ рельефа посадочной поверхности для безопасности посадки вертолета радиолокационным интерферометрическим методом с выбором пригодных для данной задачи алгоритмов раскрытия фазовой неоднозначности.

5. Разработка компьютерной модели проверки предложенных алгоритмов определения опасных неровностей и посторонних объектов на ПП с борта вертолета.

Научная новизна результатов работы

1. Рассчитана и проверена на компьютерной модели оценка интенсивности фонового сигнала от поверхности ПП и отражений от посторонних объектов на ней, с учетом возможного ослабления миллиметровых радиоволн в пылевом облаке, образующемся вихрями воздуха из-за винтов вертолета, а также в дождях и в туманах для условий, характерных на территории государства Республики Союза Мьянма.

2. Предложена и проверена на компьютерной модели возможность визуализации опасных неровностей рельефа ПП и наличия посторонних предметов на ней с использованием бортовой интерферометрической РЛС.

3. Разработан оптимальный алгоритм радиолокационной интерферометрической съемки поверхности ПП и проведена оптимизация параметров бортовой РЛС вертолета для достижения максимальной точности определения рельефа.

4. Проведен анализ потенциальной точности измерений радиолокационным интерферометрическим методом при широкой вариации исходных данных в зави-

симости от состояния поверхности ПП, геометрии облучения и параметров широкополосных зондирующих сигналов. При этом показана необходимость учета мелко-масштабной компоненты на поверхности крупного рельефа, вызывающей заметную раскорреляцию отраженных сигналов, приходящих на две антенны.

5. Выбрана и обоснована методика, связанная с раскрытием разносно-фазовой неоднозначности интерферометрических измерений и обработки радиолокационных изображений поверхности ПП, проверенная на компьютерной модели.

Практическая ценность

Полученные результаты являются теоретической и реализационной основой для реализации перспективных бортовых радиолокационных СБПВ, выбора геометрии облучения ПП и расчета оптимальных характеристик при проектировании СБПВ, позволяющих обнаруживать опасные неровности и мешающие объекты на 1111 и увеличить надежность безопасной посадки в запыленной среде в дневных и ночных условиях, а также в сложных метеоусловиях.

Реализация работы

Результаты диссертационной работы могут быть использованы в академических учреждениях РАН, НИИ и ОКБ, занимающихся разработкой радиолокационных систем дистанционного зондирования и бортовых радиосистем автономной навигации летательных аппаратов.

Достоверность результатов подтверждается проведенным компьютерным моделированием, корректным применением радиолокационных интерферометрических методов, а также многочисленными публикациями и выступлениями автора на различных научно-технических конференциях, одобренных научной общественностью.

Апробация работы

Основные результаты были доложены и одобрены: на научно-технических семинарах кафедры радиотехнических приборов в НИУ «МЭИ»; на Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов в НИУ «МЭИ», 2011, 2012, 2013 г; на третьей Всероссийской научно-технической

школе - конференции "Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения" (МГТУ МИРЭА, 2011 г); на Московской молодежной научно -практической конференции «Инновации в авиации и космонавтике - 2012» Московского авиационного института (национального исследовательского университета) и на V-ой Всероссийской научной конференции "Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред" (МИ ВлГУ, 2012 г) в городе Муроме.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, в том числе 5 статей в научно-технических журналах (3 из списка ВАК), 6 тезисов докладов на НТК:

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, трех приложений на 9 стр., списка цитируемой литературы из 132 наименований и содержит 155 стр. текста, 62 рисунков и 1 таблицы.

Приложение 1- список принятых в диссертации обозначений. Приложение 2 — листинги программ формирования отраженных от ПП сигналов и разностно-фазовых сюжетов для заданного рельефа ПП. Приложение 3 - листинг программы, демонстрирующей работу алгоритма раскрытия фазовой неоднозначности.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СИСТЕМ БЕЗОПАСНОЙ ПОСАДКИ ВЕРТОЛЕТА И ФОРМУЛИРОВАНИЕ ЦЕЛИ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ бортовых систем безопасной посадки вертолета

Первые работы по исследованию и созданию СБПВ начались в 2005 году в инжиниринговой корпорации Н. N. Burns в соответствии с научно-исследовательским договором ВВС США [3]. В 2006 году эта корпорация изготовила бортовой лазерный локатор, так называемый Eye-safe Burns engineering Active Infra-Red (EBAIR) [7-10]. Локатор оказался довольно слабым из-за отсутствия графического процессора, в режиме реального времени генерирующего цифровую модель рельефа (ЦМР) ПП и с низкой точностью обнаружения мешающих объектов в запыленной среде. Однако в 2008 году ЕВ AIR был модифицирован установкой препроцессора с пылевым фильтром, различающим отражения от пылевых частиц и объектов на 1111. Он уже обеспечивал трехмерные высококачественные изображения 1111 и объектов на ней [11]. Затем, после добавления к этому локатору инерциальной навигационной системы с высокой производительностью (INS), многопроцессорного вычислительного комплекса и графического генератора появилась новая система, так называемая «Трехмерная зона посадки (3D-LZ)», и она продолжает улучшаться [12].

Другая американская организация, Advanced Scientific Concepts, Inc. создали лазерный локатор ИК-диапозона (3D Flash LIDAR) [13], предназна-ченый для получения трехмерного изображения поверхности земли и для обнаружения опасных неровностей, таких как кратеры, камни и крутые склоны, созданный на основе матрицы в фокальной плоскости (FPA) и способный захватить лазерные импульсы и измерять время полета в каждом пикселе при заходе на посадку в запыленной среде. Это локатор позволяет получить одновременно и в реальном масштабе времени дальность и интенсивность каж-

дого пикселя FPA. Камера имеет эквивалент 16000 дальномеров в одной фокальной плоскости.

Основными недостатками вышеуказанных лазерных СБПВ являются сильная зависимость от погодных условий, т.е. невозможность проведения съемки поверхности ПП в условиях дождя, тумана, снега, а также высокая стоимость по сравнению с радиолокационными системами.

В 2008-2011 годах Корпорация Sierra Nevada по контракту с ВВС США проводила исследование СБПВ, предназначенных для обеспечения предупреждения пилота о столкновении вертолётов Black Hawk с препятствиями при заходе на посадку в запыленной среде [14]. Изготовленная этой корпорацией импульсная миллиметровая РЛС, так называемая Helicopter Autonomous Landing System (HALS), обеспечивает трехмерное изображение и руководство по посадке с использованием определенной символики. Эта система работает на частоте 94 ГГц и предназначена для обнаружения проводов, кабелей над ПП и опасных неровностей на ПП при взлете и заходе на посадку.

В работе Mustafa Zoher Rangwala [15] проведен глубокий анализ по моделированию и проектированию радиолокатора с излучением непрерывного ЧМ-сигнала, работающего на 95 ГГц и предназначенного для обеспечения безопасной посадки вертолета в запыленной среде. Предложено установить антенну с круглой апертурой на нижней части фюзеляжа. Сканирование поверхности ПП проводится с высоты от 50 м поперёк фиксированной решетки. Используя полученную информацию о д�