автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Модели и алгоритмы анализа входных сигналов и полей бортовых радиолокационных систем

■оя

* о т ш

На правах рукописи УДК 519.86:621.3%

НОЗДРАЧЕВ ДЕНИС АЛЕКСАНДРОВИЧ

МОДЕЛИ И АЛГОРИТМЫ АНАЛИЗА ВХОДНЫХ СИГНАЛОВ II [ЮЛЕЙ БОРТОВЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Специальность: 05.12.14 - Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2000 г.

Рабо<а выполнена в

Московском Государственном 1ехническом университете им 11 Э.Баумана на кафедре "Автономных информационных и управляющих споем"

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

БОРЗОВ Л.Б.

Официальные оппоненты доктор технических наук,

профессор АНДРЕЕВ Г.А.

кандидат технических наук, ИСАЕВ И.Ш.

Ведущая организация Производственное объединение

"Старт", г.Заречный Пензенской обл.

Защита состоится "____" _____2000 г. в_часов

на заседании специализированною совета Д072.05.03 по присуждению ученой степени кандидата и доктора технических наук в Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу:

125493, Москва, Кронштадтский бульвар, д.20

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МГТУГА

Автореферат разослан "_"________________2000 г

Ученый секретарь Диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент А.С.ПОПОВ

Ощж-^-оищо

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние 20 лет одннм из перспективней-ших диапазонов электромагнитной шкапы, используемых для создания бортовых радиолокационных систем (ВРЛС), является миллиметровый диапазон волн (ММДВ) Повышенный интерес к освоению этого частотного диапазона объясняется рядом его преимуществ перед диапазоном сантиметровых радиоволн в увеличении разрешающей способности по радиальным и угловым коордннагам при существенном уменьшении габаритов антенно-фидернмх трактов. Преимущества устройств ММДВ перед диапазонами оптической локации заключаются в их всепогодпости и всесуточпосги при существенном улучшении их помехозащищенности от активных и пассивных помех.

Задача разработки и рационального построения неконтактных устройств ближнего действия нового поколения невозможна без анализа и синтеза характеристик бортовых активных радиолокационных систем (БРЛС) ММДВ на основе априорной информации о лоцируемых объектах в условиях сложной помеховой обстановки на фоне различных подстилающих поверхностей.

Аналогично, при разработке или модернизации внешнего облика собственно объектов локации (ОЛ) наиболее остро стоит задача оперативной оценки их радиолокационных характеристик, связанных либо с изменением формы объекта, либо с добавлением новых элементов конструкции или с оптимальным размещением радиоиоглощающих материалов (РПМ) па его поверхности. Поэтому одно из центральных мест в радиолокации занимала и занимает проблема априорного определения радиолокационных характеристик рассеяния (РЛХ) радиоволн квазиоптического (1,ч/\ > 1, Ьц - размер цели, к - длина волны центральной частоты спектра) диапазона на объектах сложной пространственной конфигурации.

Для получения характеристик полей рассеяния (ПР) используют натурные измерения, физическое моделирование и методы математического моделирования с помощью ЭВМ. Проведение натурных измерений представляет собой технически сложную и дорогостоящую задачу. При физическом моделировании, когда используется модель цели уменьшенного размера, возникают, помимо технических сложностей изготовления масштабной модели, проблемы с обеспечением адекватных частотных условий облучения цели. Кроме того методы натурного и физического моделирования практически непригодны па ранних стадиях проектирования систем и объектов локации. .Поэтому перспективны расчетные методы анализа дифракционных полей, лишенные указанных недостатков.

Однако, использование исключительно расчетных методов анализа потенциальных характеристик БРЛС и РЛХ реальных целей зачастую ограничивается с одной стороны сложностью конструкции внешнего облика объекта

либо его отдельных элементов, а с другой - сложностью формализации задачи построения дифракционной модели входных сш налов Ы'ЛС,

Опыт цифрового моделирования РЛХ объемов сложной формы показал, что в качестве основы для построения универсальной методики анализа и синтеза входных сигналов рационально использовать методику математического моделирования ПР радиоволн квазиоптического диапазона на объектах сложной пространственной конфигурации рафаботанной Борзовым А.Б.

Среди различных расчетных методов аналта дифракционных полей на объектах сложной формы естественного и антропогенного характера наиболее эффективным является "токовый" метод или метод физической теории дифракции. Согласно ему, ПР в любой точке пространства определяется как интерференция дифракционных полей, источниками которых являются токи возбуждения, распределенные на поверхности цели, которые в свою очередь определяются эвристическими методами. Тогда сигнал на выходе приемной антенны БРЛС можно представить в виде поверхностного интеграла с осциллирующим ядром от проекции вектора напряженности ПР в апертуре шпен-ны на вектор (векторы, в случае эллиптической поляризации) ее поляризации Таким образом, для синтеза входных сигналов радиотехнических систем БРЛС необходимо определять напряженность ПР от цели в апертуре приемной антенны па фоне различного рода подстилающих поверхностей.

В связи с тем, что реальные ландшафты (рельефы) и поверхность ОЛ имеют сложную пространственную конфигурацию, интегрирование источников дифракционных полей, как по поверхности ОЛ, так и по поверхности рельефа подстилающей поверхности, можно выполнить лишь численными методами.

Поэтому развитие расчетных методик и алгоршмов, в основе которых лежат численные методы оценки интегралов по поверхности с произвольными границами от оецшглнрующих функций, является важной задачей, имеющей большое научное и практическое значение.

С другой стороны, как для реализации алгоритмов численного интегрирования, так и для выполнения топологических операций, для каждого участка поверхности необходима математическая (виртуальная) модель геометрического образа объекта локации. В случае подстилающей поверхности это детерминированная поверхность сложного рельефа со стохастическими свойствами в пределах малого (относительно Я) локально-плоскою участка, а в случае ашропогенного объекта совокупность базовых примитивов алгоритмическим образом «состыкованных» друг с другом.

Практика разработки радиолокащюнных систем показывает, что наибольший интерес, как у разработчиков систем БРЛС, так и у разработчиков объектов локации вызывает методика моделирования дифракционных полей рассеяния радиоволн квазиоптического диапазона в ближней (волновой) зоне на объектах сложной пространственной конфигурации, включая различное

нзпесное оборудование, на фоне различных подстилающих поверхностей для сигнала произвольного типа. При этом особенно важным является возможность анализа как отдельных дифракционных компонент в общем иоле рассеяния (компонента рассеяния на гладкой части поверхности, на острых кромках и т. п.), так и вклад отдельного элемента конструкции объекта локации. Именно эти моменты отсутствуют в известных расчетных методиках.

В качестве альтернативы методам математического моделирования для подтверждения основных параметров и характеристик БРЛС необходим экспериментальный этап, включающий изготовление макета с соответствующими параметрами зондирующего сигнала. Поэтому необходима разработка н проведение комплекса натурных измерений (исследований) рассеивающих свойств как объектов локации, так и различных помеховых образований (подстилающие поверхности, помехи, и т. п.), которые подтвердили бы правильность разработанных концепций и расчетных методик. Кроме того, в результате экспериментальных исследований необходимо подтверждение на макетном образце основных потенциальных характеристик БРЛС. Особое внимание в экспериментальных исследованиях необходимо уделить использованию дополнительных селективных признаков объекта сложной формы на фоне подстилающей поверхности. В частности, такому признаку, как степень деполяризации зондирующего сигнала.

Поэтому развитие моделей и алгоритмов математического моделирования полей рассеяния коротких радиоволн на объектах сложной формы естественного и антропогенного характера для решения прикладных задач радиолокации является исключительно актуальной задачей.

Целью данной работы является анализ входных воздействий бортовых радиолокационных систем обнаружения объектов локации сложной пространственной конфигурации на фоне подстилающей поверхности.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач, составляющих основные этапы диссертационного исследования: О разработка методик сквозного цифрового моделирования входных сигналов бортовых радиолокационных систем обнаружения объекта на фоне различных подстилающих поверхностей; © анализ и синтез характеристик рассеяния объектов сложной пространственной конфигурации при самых общих условиях локации; © анализ и синтез рассеивающих свойств подстилающих поверхностей; О анализ вкладов отдельных элементов конструкции объекта сложной формы в общее поле рассеяния; в анализ дополнительных селективных признаков объекта на фоне подстилающих поверхностей.

Методологической основой моделей и алгоритмов математическою моделирования входных воздействий бортовых радиолокационных сиоем

обнаружения объекта на фоне различных подстилающих поверхностей сл>-жат:

О аппарат аналитической геометрии в пространстве,

О машинная графика, вычислительная геометрия, геометрическое моделирование;

© элементы математической теории вращений;

О методы математической и физической теории дифракции коротких волн; 0 асимптотические методы оценок осциллирующих интегралов; О теория численного интегрирования;

О элементы теории вероятностей, математической статистики и случайных процессов.

Научная новизна полученных результатов, представленных в данной работе, состоит в следующем:

О Разработана методика сквозного математического моделирования входных сигналов бортовых радиолокационных систем обнаружения объекта на фоне различных подстилающих поверхностей; © Разработана методика анализа рассеивающих свойств различных типов подстилающих поверхностей, позволяющих учитывать их деполяризующие особенности;

© Разработана полигональная модель рельефа сложной формы, адаптированная к решению электродинамических задач; О Разработана математическая модель дифракционных полей рассеяния в апертуре приемной антенны БРЛС ММДВ от объектов сложной пространственной конфигурации; © Разработана методика оценки влияния отдельных элементов конструкции

объекта локации на формирование суммарного входного сигнала от цели; О Проведен анализ дополнительных селективных признаков объектов сложной формы на фоне подстилающих поверхностей как методами математического моделирования, так и в ходе оригинальных натурных измерении.

Практическая значимость работа заключается в разработке прикладных методик, ориентированных как на решение задач анализа и синтеза БРЛС, так и различных РЛХ объектов сложной пространственной конфигурации и подстилающих поверхностей произвольного рельефа.

Использование оригинальной методики синтеза полей рассеяния от объектов сложной формы на фоне подстилающей поверхности в апертуре приемной антенны КЦ, алгоритмов и комплекса программ, реализующих эти методики, позволяет заменить дорогостоящие и сложные натурные исследования значительно более дешевыми и удобными расчетами на ЭВМ. При этом необходима только разработка математической модели геометрического образа ОЛ но чертежам общего вида и рельефа сложной формы.

Достоверность результатов, получаемых с помощью разработанных расчетных методик, в значительной степени зависит от качества составления

б

геометрической модели объекта. Универсальный характер предлагаемых моделей и алгор|ггмов позволяет их использовать без каких либо изменении r общих моделирующих системах анализа и оценки параметров БРЛС. ')ю делает возможным, используя ЭВМ, уже на ранних этапах разработки БРЛС и их элементов достаточно точно знать их потенциальные характеристики при различных условиях функционирования.

С другой стороны, дифференциальные РЛХ ОЛ сложной формы, получаемые с помощью разработанных методик и алгоритмов, составляют основу критерия оптимальности размещения радиопоглощающих покрытий при заданных условиях локации.

Реализация полученных результатов в промышленности. Результаты

работы были использованы на ПО "Старт", г. Заречный Пензенской области при составлении программ натурных испытаний ПТУР "Хризантема".

Методики н программы расчета характеристик рассеяния сложных целен внедрены в учебный процесс профилирующих кафедр Пензенского Госу-дарст пенного Университета.

Реализация результатов работы в промышленности подтверждается соответствующими актами.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения: О Полигональная модель рельефа сложной формы;

О Модели рассеивающих свойств различных типов подстилающих поверхностей, позволяющих учитывать их деполяризующие особенности; О Методика сквозного математического моделирования дифракционных нолей рассеяния в апертуре приемной антенны БРЛС ММДВ от объектов сложной пространственной конфигурации на фоне подстилающих поверхностей;

О Методика оценки влияния отдельных элементов конструкции объект

локации на формирование суммарного входного сигнала; О Дополнительные селективные признаки объектов на фоне подстилающих поверхностей;

О Результаты математического моделирования и оригинальных натурных измерений.

Апробация работы на 17 международной конференции по применению миллиметровых волн в Харькове (сентябрь 1998 г.), на 7-ой международной конференции «Гиромагнитная электроника и проблемы Stelth» п Фир-саповкс (ноябрь 1998 г.). Результаты работы докладывались на научно техническом семинаре кафедры "Автономных информационных и управляющих систем" МГТУ им. П.Э.Баумана.

Публикации. Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 5 статьях и тезисах докладов. Подробное изложение проведенных исследовании содержится в 4-х научно-технических отчетах.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

Объем диссертации составляет 183 страницы текста, 46 рисунков на 20 страницах и 10 таблиц. Список литературы включает 65 наименований

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассматриваются общие вопросы анализа входных воздействий (сигналов и полей) бортовых радиолокационных систем миллиметрового диапазона с использованием методов математического моделирования.

В первой главе рассматривается методика сквозного моделирования входных воздействий бортовых радиолокационных систем обнаружения объектов сложной пространственной конфигурации.

Существовавшие ранее аналитические методы оценки радиолокационных характеристик целей могли быть использованы лишь для узкого класса целей при ограниченных параметрах наблюдения с низкой степенью точности. Причиной тому являлся низкий уровень вычислительных и программных средств, обуславливающий трудности в формировании геометрических моделей объектов и расчета радиолокационных характеристик объектов, размеры которых превышали длину падающей волны в десятки и сотни раз. Современный уровень развития вычислительной техники и программного обеспечения позволяет успешно решать перечисленные проблемы. Использование предлагаемой технологии позволяет анализировать радиолокационную за-метность объектов на этапе создания рабочей и конструкторской документации изделия. При этом разработчик получает возможность выбора различных вариантов конструкции изделия, принимая оптимальное решение исходя из требуемых параметров разрабатываемого объекта и ею отражающей способности. Поэтому объектом исследования данной работы являются математическое моделирование радиолокационных характеристик совокупности объектов сложной формы.

Основу рассматриваемой модели составляет представление сложного обьекта в виде совокупности элементарных отражателей. Характеристикой рассеяния ¡-го элементарного отражателя является его дифракционное поле рассеяния, которое определяется при условии, что падающая и отраженная волны - плоские, и зависит как от свойств элементарного отражателя, так и от взаимной ориентации в пространстве базисов падающей и отраженной волн. В рассматриваемой модели излучение и прием сигнала осуществлялось передающей и приемной антеннами с определенной формой диаграммы направленности (ДНА). С каждым отражателем связывается система координат, а также локальные базисы падающей и отраженной волн. Полное поле рассеяния от совокупности сложных объектов определяется когерентным суммированием полей рассеяния элементарных отражателей Е .

г I

Поляризационные компоненты полного поля от наблюдаемого участка сцены находятся как сумма когерентных полей от элементарных отражателей путем аппроксимации рассеивающей поверхности сцены в виде

И:

(А>1|

I' I

где

А/ - количество типов элементов сцены;

Л' - количество отражателей, аппроксимирующих поверхность т" -го чипа сцены;

\'(И) - индексы поляризационных ортов падающей и отраженной волн; /;,„„ - сигнал поля рассеяния отражателей на выходе приемной антенны

1\НС;

" функции направленности передающей и приемной антенн; 'тл - функция рассеяния облучаемого отражателя. При этом размер элементарного отражателя не должен превышать величины

1

гтт > 1гап = т'П( 1 > гг )>

где

Л - длина волны высшей гармоники спектра зондирующего сигнала; л,, г, - расстояние до фиксированной точки элементарного отражателя от передатчика и приемника, соответственно.

Рассеивающие свойства элементарных отражателей радиолокационной сцены наблюдения определяются либо расчетным путем, либо используются модели диаграмм рассеяния с учетом натурных измерений.

Эффект взаимодействия элементов сцены радиолокационного наблюдения оценивается функцией реакции "У'-го элементарного отражателя на данный элемент . Эта функция учитывает влияния многолучевого характера распространения волн вблизи подстилающей поверхности и переотраже-НН11 волн на элементах сцен«.

Влияние движения передающей и приемной антенн находящихся на боргу летательного аппарата было принято во внимание в измерениях фазо-иой функции элементарного отражателя. Это изменение на фиксированной длине волны соответствует спектральной составляющей зондирующего сигнала, которую можно представить в виде

2/г

1 + 7

+ Г,

1 +

(У, Г,)

где * векторы относительных скоростей передающей и приемной антенн относительно элементарного отражателя, соответственно;

с - скорость света. Величина фазовой функции зависит от дисперсионных свойств поверхности элементов сцены радиолокационного наблюдения,

что приводит к изменению тензорного коэффициента отражения члемешар-ного отражателя.

При использовании сложных лидирующих сигналов используется их разложение в ряд Фурье, т.е. представление сигнала п виде набора спектральных составляющих, для каждой из которых вычисляется суммарное рассеянное иоле. Кроме того, вычисление рассеянного сигнала осуществляется для конкретного момента времени на заданном участке траектории движения носителя БРЛС.

Таким образом, решение поставленной задачи осуществляется с использованием следующих математических моделей:

геометрическая модель совокупности сложных объектов; математическая модель траектории движения передающей и приемной антенных систем;

математическая модель зондирующего сигнала; математическая модель антенной системы;

математическая модель полей рассеяния элементарных отражателей;

математическая модель электродинамических и статистических свойств сложных объектов.

Одной из основных проблем при разработке расчетной модели радиолокационных характеристик сложных объектов остается синтез геометрической модели с высокой степенью точности, требуемой для решения электродинамических задач рассеяния. Существовавшие ранее методы формирования геометрических моделей были основаны на принципах аналитическою описания поверхностей, образующих объект сложной пространственной конфигурации. Способов аналитического описания различного типа фоновых сюжетов не существовало вовсе. Основным достоинством современных систем САПР (3Dstudio, Pro/Engineer) является возможность синтеза геометрической модели сложных объектов по чертежам общего вида и конвертации эти модели в удобный для последующей обработки текстовый формат представления данных. При этом системой САПР решается наиболее трудоемкая ui-дача аналитического описания сложных поверхностей образующих объект. Н результате ряда вычислительных процедур выполняемых системой САПР геометрическая модель совокупности сложных объектов представляется набором простейших геометрических примитивов, образующих поверхности объектов. Таким образом, используя возможности современных программных средств, не составляет большого труда получить так называемую "фацетпую" геометрическую модель сложного объекта, которая будет представлять собой исходную информацию о цели при решении радиолокационных задач.

Для эффективного использования полученной геометрической модели при решении различного типа радиолокационных задач возникает проблема

единого описания элементов образующих геометрическую модель объектов н формирования универсальной структуры данных цифровой геометрической модели. Кроме того, следует учесть тот факт, что каждый элемент из системы сложных объектов обладает уникальным набором электрофизических параметров, характеризующих его как радиолокационный объекг. Учет электродинамических параметров объектов также необходим при формировании единой структуры цифровой геометрической модели. Разработанная таким образом структура данных на следующих этапах анализируется в рамках решения различных задач радиолокации сложных объектов..

Любой геометрический образ реального объекта локации, синтезированный в системе САПР может быть представлен совокупностью отдельных элементов (примитивов). Каждый из эгих элементов может быть деталью сложного объекта, элементом фонового сюжета и т. д. Совокупность отдельных элементов, обладающих определенной пространственной конфигурацией и наделенных вполне определенным набором электрофизических свойств и способов локации образуют радиолокационную сцену. .

Результирующее дифракционное поле рассеяния радиолокационной сцены в целом определяется путем когерентного суммирования локальных нолей рассеяния отдельных элементов, «видимых» БРЛС в данный момент времени и принадлежащих различным элементам сцены, в том числе и фоновым образованиям.

Элементы, образующие радиолокационную сцену всегда наделяются определенными электродинамическими или статистическими свойствами. Электродинамическими параметрами отражателей являются относительная диэлектрическая проницаемость материала слоя с, удельная проводимость у |С.м/м], относительная магнитная проницаемость р, толщина слоя Ь. Если сложный объект состоит из однородного материала, то значение толщины слоя И при расчетах не используется.

. Как было отмечено ранее, современные САПР позволяют формировать геометрическую модель фонового сюжета по аналогии с поверхностью сложного объекта а виде совокупности плоских треугольных элементов. В главе подробно рассмотрен алгоритм формирования модели полигонального тина для подстилающих поверхностей со сложным рельефом. Основным отличием треугольного элемента, принадлежащего шероховатой поверхности от треугольника гладкой части объекта, состоит в том, что элементарный отражатель шероховатой поверхности кроме электродинамических свойств наделяется вполне определенными статистическими свойствами,'характеризующими случайные отклонения поверхности треугольного элемента от плоскости. В качестве таких статистических параметров использовались среднеквадратичная высота неровностей а (м] и интервал корреляции высот неровностей р0 1м]. Также использовались параметры для крупномасштабных шерохова-

тых поверхностей - среднеквадратичные высоты о, и для мелкомасштабных -о,, а также соответствующие им интервалы корреляции р01 и р0!.

Разнообразие систем ближней радиолокации и условий их применения предопределяет этап моделирования (учета) использования сложных зондирующих сигналов, которое целесообразно осуществлять путем их спектрального представления рядом Фурье, а для учета реальных траекторных параметров относительного движения удобным средством моделирование отраженных сигналов на участке траектории движения носителя БРЛС является использование представления траектории набором кадров.

Получены основные расчетные соотношения, которые легли в основу исследований, изложенных в последующих главах

Во второй главе рассматривается геометрическая модель рельефа сложной формы полигонального типа,- Рельеф местности описывается функцией /{х',у',-') в связанной с опорной точкой О' прямоугольной системе координат. Для задач синтеза входных сигналов и полей удобно использовать ее аппроксимацию в виде набора однотипных плоских элементов («фацетов»), в виде

Здесь символ - означает объединение - участков плоско-

стей, ограниченные выпуклым многоугольником (полигоном) с числом сторон, не более 5. А поскольку любой полигон можно свести с сумме треугольников, то процесс аппроксимации сводится к процедуре триангуляции. М -количество элементарных полигональных элементов.

Эта модель оказывается особенно удобной при решении прямых задач электродинамики, поскольку в ее состав входят простейшие примптивы -плоские полигональные элементы. Кроме того, использование для ее синтеза мощных современных систем автоматизированного проектирования и визуализации практически снимает ограничения на степень приближения модели ее оригиналу и определяется. исключительно квалификацией пользователя (разработчика модели) и ограничений вычислительных ресурсов. Однако, решение этих проблем достаточно тривиально.

Здесь также показано, что при построении бортовых радиолокационных систем обнаружения объектов на фоне подстилающей поверхности необходима информация о рельефе местности в виде ее математической (геометрической) модели. В частности, для создания геометрической модели рельефа сложной формы удобно использовать современную систему анимации ЗИМАХ, из которой возможно экспортирование исходных данных пригодных для создания полигональной модели рельефа. Приведен пошаговый алгор!гтм создания (синтеза) геометрической модели рельефа в виде совокупности пло-

скнх примитивов, ограниченных полигоном с числом сторон 3 и ал1 оритми-ческим образом "состыкованных" друг с другом.

Особенностью предлагаемой полигональной модели также состоит в объекгно-ориентнрованпом характере ее структуры, которая помимо данных о ее геометрических свойствах включает методы работы с ними.

В третьей главе предлагаются математические модели радиолокационных полей рассеяния от статистически - шероховатых поверхностей, из которых состоят реальные рельефы подстилающих поверхностей.

Анализ показал, что за последние 50 лет было разработано множество теоретических моделей, а также проведены многочисленные экспериментальные исследования по изучению рассеяния электромагнитных волн подстилающей поверхностью. При этом, результаты экспериментов характеризуются большим разбросом значений, что связано с различиями в используемой при измерениях аппаратуре, методике эксперимента и типами поверхности. Основу большинства теоретических методов составляет решение классической задачи дифракции электромагнитной волны на участке поверхности. При разработке теоретических моделей рассеяния основной проблемой является математически точное описание геометрической формы подстилающей поверхности и идентификация ее свойств.

Учитывая многообразие реальных земных ландшафтов возникает необходимость в их классификации, которая зависит от типа подстилающей поверхности и определяет методы анализа их полей рассеяния. В соответствии с приведенными в работе вариантами классификации земных покровов выделяется основные типы поверхностей, для которых разработаны модели рассеяния коротких волн: растительные покровы, водные поверхности, фунтовые поверхности и различного типа антропогенные образования.

В качестве критерия выбора конкретного метода служил параметр представляющий собой отношение характерного размера шероховатостей поверхности к длине падающей волны. Для крупномасштабных неровностей, размер которых значительно превышает длину волны был использован метод касательной плоскости (МКГ1), а для мелкомасштабных шероховатостей, с размерами меньше длины .волны - метод возмущений (МВ). В дальнейшем была разработана так называемая двухмасшгабная модель рассеяния (модель двухкомпонентных неровностей), сочетающая в себе методы оценки нолей рассеяния как крупномасштабных (МКП), так и мелкомасштабных (метод ММВ) неровностей поверхности, основанная на работах Андреева Г.А., Жуковского А.П., Касса Ф Г и Фукса И М.

Для этой модели показано, что результирующее значение индикатрисы рассеяния (удельной ЭПР) определяется суммой двух слагаемых: индикатрисы рассеяния крупномасштабной поверхности и индикатрисы рассеяния мелкомасштабных неровностей, располагающихся на крупномасштабной поверхности:

= (1) Здесь I', - индикатриса рассеяния (удельная ЭПР) крупномасштабной поверхности, определяемая методом касательной плоскости

7" 2 Я

</у

1

Ж Чу

(?)

где <7 = {2со$(Аа ),0,25ш(Д)} - разностный вектор; /?, - угломестная коорди-п;а'

пата приемника; у = V2 — - среднеквадратичный тангенс угла наклона гаус-

Ро

совской поверхности с коэффициентом корреляции р0.

Т' - функция, определяющая амплитуды источников вторичного излучения на шероховатой поверхности, которая, в частности, для случая моно-статнческой локации при ц = {2со5(/?1),0,2б1п(/?1)}) становится пропорциональной коэффициентам Френеля. Тогда поляризационная матрица удельной ЭПР компоненты рассеяния на крупных шероховатостях (2) в точке стационарной фазы была определена в виде:

1

2ггшА(Р.)

£(0 = 0)1 0

о

К(0 = О)|

ехр

с/Г(Д) 1?

Откуда видно, что в радиолокационном случае составляющие рассеянного паля при приеме на ортогональных поляризациях отсутствуют, а при приеме на согласованных поляризациях определяются значениями коэффициентов Френеля при нулевом угле падения 0.

1,',2 - в выражении (1) - индикатриса рассеяния (удельная ЭПР) мелкомасштабной поверхности, расположенной на крупномасштабной, определяемая соотношениями модифицированного метода, которая в радиолокационном случае определяется усреднением по ансамблю реализаций двумерной крупномасштабной поверхности в плоскости г=0 с учетом закона рас-.

пределения угла в :

.2

12&т д*

ч/2/г

\(10

соэ3^')

ехр

<Г(0)

' Ж .

( V „ . ехЬ--~--КК^,",).

где Т1'(Л1) = ?/(п1)ё1 - проекция векторного множителя источников ПР на поляризационный орт приемника, • функция затенений.

Полученные соотношения позволили оценить индикатрису рассеяния некоторых квазигладких поверхностей во всем диапазоне изменения углов Д приемника. При этом необходимым условием являлось наличие электроди-

1. <~

Рис 1.

намической модели среды поверхности и вероятностной модели ее шероховатостей.

Приведены индикатрисы рассеяния различных типов ПП.

В частности, проведен анализ удельной ЭГ1Р фунтовой шероховатой поверхности в зависимости от степени влажности. На рис. I приведены рас-считаные ДОР песчаной поверхности на длине волны А.=3.2 см для согласованной горизонтальной поляризации. При этом рассматривались два типа песка: сухой песок (штрих - пунктирная линия), для которого обьемная влажность рт= 0 и увлажненный песок рт=0.25. Значения комплексной

диэлектрической проницаемости песка ........

был» определены по формулам Улаби- Г; Дебая и составили для сухого песка £ =2.8 и для влажного песка е = 12 + /4.45. Пространственный спектр неровностей песка был разделен на крупно- и мелкомасштабные неровности, ста- "! тистические параметры которых составили = 0^3» № у.2 =? 01.104;,<5 = 0.025 соответственно! С использованием соотношения для результирующей удельной ЭПР двухкомпонентной поверхности для радиолокационного случая, были получены ДОР песчаной поверхности. Согласно этим данным показано, что увеличение влажности грунтовой поверхности приводит к увеличению ее удельной ЭПР на всем диапазоне углов места на 57 дБ по сравнению с сухим грунтом.

Четвертая глава посвящена анализу радиолокационных характеристик объектов сложной пространственной конфигурации. Рассматриваются методологические основы построения методики цифрового моделирования полей, рассеяния радиоволн кеозноптического диапазона на объектах сложной формы. Анализ известных расчетных методик показал, что предложенная цифровая модель достаточно универсальна, поскольку реализует эффективный метод физической теории дифракции применительно к объектам сложной формы. Предложена единая аддитивно-интегральная форма представления различных компонент полей рассеяния. Такая форма представления оказывается удобной для реализации алгоритмов численного интегрирования но элементам поверхности цели и моделирования ее радиолокационных характеристик.

В осцову предлагаемой методики поло-

Рис 2

Уя? х \ Л' \»

жен принцип ФТД. С помощью которого удается аксиоматизация явления рассеяния коротких радиоволн в виде финитной композиции прос-фанствен-но-распределенных источников, что позволило получить выражение ПР- в апертуре приемной антенны как векторно-когерентную (с учетом фазы) сумму

^ = ¿1 + ¿2 + + (3)

Здесь первая компонента /:, соответствует вкладу гладких элеме1ггов поверхности в общее IIP. Вторая - Ё г определяет вклад краевых волн, т.е. поля рассеяния на острых кромках объекта локации. Компонента Е 3 учитывает явления двукратного взаимодействия (переотражения) элементов цели, а четвертая - Л'4 , соответствует векторной сумме ПР элементов конструкции цели, характеристики которых определяется либо с помощью натурного моделирования либо другим альтернативным методом.

Общей особенностью первых трех компонент (3) волн является их аддитивно-интегральная форма представления. При этом каждый член суммы является интегралом от осциллирующих источников распределенных на регулярных участках поверхностей, ограниченных кусочно-гладким контуром.

В основу используемой модели положена методика математического моделирования дифракционных полей рассеяния объектов сложной формы, разработанная в МГТУ им. Н.Э.Баумана Борэовым А.Б. В данной главе рассматриваются вопросы адаптации этой методики к расчету ДОР объекта сложной формы типа танк и анализа его энергетических радиолокационных характеристик применительно к решению задач его обнаружения на фоне подстилающей поверхности.

Разработанная методика позволила (в силу линейности поверхностных интегралов) получить оценку энергетических радиолокационных характеристик (PJ1X) цели как суммарного поля рассеяния объекта так и его отдельных компонент /;,, Ег, , (3) методом ожосительной и случайной фазы или когерентному и пекогерентному суммированию вкладов отдельных элементов цели или их частей в апертуре приемной антенны, соответственно.

На рис. 2 приведены ДОР объекта типа танк, полученные методом математического моделирования на длине волны 8 мм и линейной вертикальной поляризации, для двух значений угла места (утла подхода к цели). В секторе

Рис. 3.

0..I80 гр. приведена ДОР, полученная методом когерентного суммирования элементарных сигналов для угла места /? = 0П, а в секторе 0..-I80 гр. приведена ДОР для угла подхода

Показано, что помимо суммарной ДОР, предлагаемая методика позволяет оценивать вклады отдельных компонент полей рассеяния, которые приведены на рис.3, цифрой 1 изображена ДОР компоненты от гладкой поверхности, 2 - от двукратных взаимодействий элементов (переотраженнй), 3 -компонента краевых волн.

Проведен анализ полученных результатов и способы их использования для оценки вероятностных характеристик обнаружения объекта на фоне подстилающей поверхности.

В пятой главе рассмотрены вопросы статистического анализа энергетических PJIX и информативных признаков объектов сложной пространственной конфигурации на фоне подстилающей поверхности.

Анализ диаграмм обратного рассеяния объектов сложной формы в квазиоптическом диапазоне радиоволн показал, что как экспериментальные, так и расчетные диаграммы имеют существенно осциллирующий характер при значительном динамическом диапазоне изменений ЭПР. Однако эти результаты являются приближенными относительно реальных диаграмм. Поэтому как для фонов (глава 3) так и для анализа радиолокационных характеристик объектов сложной пространственной конфигурации (глава 4) используются методы статического анализа.

На рис.4 приведены функции распределения вероятностей (ФРВ) ЭПР танка, рассчитанные для трех значений азимутального углового сектора локации танка при угле места . Соответствующая этому случаю ДОР когерентной ЭПР приведена на рис. 2. Здесь кривая 1 соответствует ФРВ ЭПР танка для сектора азимутальных углов . , вторая -и третья сектору передней полусферы . Анализ представленных ФРВ прказал, что в пределах 0..85 гр. рассеивающие свойства танка достаючно изотропны со средней ЭПР 3..5 квадратных метра при величине дисперсии менее 25 м4 . Именно начиная со значений а>85° наблюдается .резкое увеличение ЭГГР, которое вызывает увеличение средней ЭПР до 30..50 м2 и срелнсквалрагнческого отклонения более 600 м2.

Рассматриваются алгоритмы расчета первых четырех числовых характеристик распределении среднего, дисперсии коэффициента ассимстрии и

/

гЛ\м» JS , Рис. 4

эксцесса, с помощью которых классифицируются распределения ЭПР объекта по диаграмме Пирсона. Анализ показал, что большое количество целей имеют ЭПР подчиняющихся бета распределению.

В этой главе также проведен анализ обнаружения объекта сложной формы на фоне подстилающей поверхности. Установлено, что существуют качественные различия между функциями распределения ЭПР распределенной цели, к которой относится подстилающая поверхность и жесткого антропогенного объекта локации. На основе сравнительного анализа ФРВ сделаны выводы о возможности обнаружения РЛС объекта сложной формы, размешенного на фойе земной поверхности.

Рассматривалась возможность обнаружения танка на фоне различных поверхностей типа асфальт, трава и песок, при которых вероятность ложного обнаружения не должна была превышать значения р-0.001 для пороговой ЭПР . Приведены зависимости плотности распределения вероятно-

стей ЭПР танка, а также асфальта, травы и песка, анализ которых показал, что требуемый уровень ложной тревоги РЛС (р=0.001) обеспечивается лишь для асфальта и травы.

Выполнен анализ дополнительных селективных признаков объекта на фоне подстилающей, поверхности в миллиметровом диапазоне радиоволн. качестве дополнительных информативных признаков рассматривались радиоконтраст цели на фоне поверхности, отличия по деполяризующим свойствам объекта и фона, спектрально-корреляционные отличия рассеянных сигналов и флуктуирующие свойства амплитуды сигнала, отраженного от объекта и поверхности при частотной манипуляции зондирующего сигнала. Для анализа дополнительных селективных признаков были использованы экспериментальные данные.

Анализ которых показал, что в эхо-сигналах прослеживалась нестационарность процессов, огибающие сигналов, отраженных от подстилающей поверхности, более широкополосны и менее коррелированы по сравнению с огибающими сигналов отраженных от объекта. Кроме того, было установлено, что еще одним важным информативным признаком при обнаружении объекта является деполяризация сигналов, отраженных объектом и земной поверхностью. При этом сложный объект обладает лучшими деполяризующими свойствами по сравнению с земной поверхностью, что может служить одним из основных информативных признаков при обнаружении цели.

Исследованы результаты моделирования когерентного и некогерентного приема дифракционных полей, рассмотрены вопросы их усреднения. Разработаны статистические методы оценки РЛХ сложных целей. Приведенные результаты для различных типов целен и условии их локации показало, что предлагаемая методика является хорошей альтернативой дорогостоящим натурным измерениям.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе получены следующие научно-технические результаты. 1. Разработанная модель сквозного математического моделирования входных воздействий бортовых радиолокационных систем миллиметрового диапазона, основанная на известных физических методах рассеяния волн, является мощным инструментом исследователей как систем радиолокации различного назначения, так и разработчиков объектов локации. 2.. Разработан комплекс моделей, алгоритмов и программ, обеспечивающих расчет на ЭВМ радиолокационных характеристик полей рассеяния радиоволн квазиоптического диапазона на объектах сложной пространственной конфигурации во всем диапазоне условий облучения и наблюдения объекта.

3. Полученная единая аддитивно-интегральная форма представления входных воздействий СБРЛ ММДВ позволяет унифицировать процедуры их алгоритмической реализации, что позволяет комплексировать в рамках единой методики различные методы анализа дифракционных полей рассеяния.

4. Полигоначьная геометрическая модель рельефа сложной формы, адаптированная к решению задач электродинамики, позволяет практически с любой точностью аппроксимировать поверхность оригинала. Данная полигональная модель рельефа, помимо базового набора элементов, содержит алгоритмы, позволяющих'выполнять все необходимые топологические расчеты, в частности такие как:

выделение незатененной и немаскируемой части поверхности рельефа;

проверки принадлежности точки примитиву и построение его локального базиса. Все алгоритмы выполнены в виде библиотеки прикладных программ и адаптированы к ЭВМ различного типа.

5. Показано, что для расчета ПР от плоских участков шероховатых поверхностей с крупными неровностями целесообразно использовать метод касательной плоскости, с мелкими - метод малых возмущений и в случае сложных шероховатых поверхностей - двухкомпонентную модель рессеяиия коротких радиоволн. Применение этих эвристических методов позволяет свести краевую задачу дифракции к задаче с заданным распределением источников поля на поверхности. Анализ свойств источников позволил повысить эффективность алгоритмов за счет разделения процедур по типам шероховатых поверхностей.

6. Определена и реализована структура оценки дифракционной компоненты IIP на объектах сложной пространственной конфигурации в виде осцилли-р>ющего интеграла излучения от поверхностных источников возбуждения в виде четырех интегральных компонент. При этом первая определяет компоненту IIP на гладкой части объекта локации, вторая на его острых кромках, третья - учи 1ыи,зет эффекты переотражения волн на элементах конструкции ОЛ и Че(вер1ая компенсирует рассеяние в тех областях цели, где сю форма-

лизация затруднительна и поэтому используются альтернативные методы синтеза I IP (например, экперименгальные).

7 11ронедено тщательное тесшрование всех алгоритмов на примере эталонных отражателей для которых известны точные аналитические решения. Показано, что погрешность оценки ПР и затраты машинного времени образуют компромнс при выборе шага интегрирования (размера примитива геометрическом модели)

8 Идентификация как диаграмм рассеяния так и других РЛХ сложных целей полученных с помощью данной методики и стандартизованных натурных измерений нока>ал, что предлагаемая расчетная методика является хорошей альтернативой дорогостоящим натурным измерениям, поскольку позволяет оперативно моделировать на ЭВМ как различные РЛХ так и входные сигнады ра(личных БРЛС с погрешностью не хуже 4 дБ относительно полигонных и шерений.

9. Анализ вероятностных характеристик рассеяния ОВТ на фоне различных подстилающих поверхностей показал, что возможность обнаружения объекта при заданных значениях вероятностей обнаружения и ложной тревоги достигается на фоне подстилающих поверхностен с удельными ЭГ1Р менее -30 дБ.

10. Выявлены различия в корреляционных функциях огибающих отраженных сигналов в результате спектрально-корреляционной обработки эхо-сигналов, а именно: большая шнрокогтолосность и малая коррелированность огибающих сигналов отраженных от поверхности в отличие от сигналов отраженных от объектов. При ном объект сложной формы по сравнению с подстилающей поверхностью обладают:

« существенно выраженными деполяризующими свойствами, что проявляется п уменьшении для отраженного от объекта сигнала разности между основной я кроссполярнзацнонной составляющими, в значительными флуктуации отраженных от объектов сигналов (18-22 дБ) по сравнению с сигналами отраженными от поверхности (2-4 дБ); » при скользящих углах локации наблюдается слабый контраст объ-

екта на фоне подстилающей поверхности.

Основные результаты диссертации нашли отражение в следующих работах.

fiopjoB А.Б, Сучков В.Б., Ноздрачев Д А. Математические модели входных сигналов радиолокационных систем боеприпасов И Вопросы оборонной техники.-2000.-N1 -2.-С. 12-18.

N.S.Akinshin, V.N.Antifeev, А.В Borsov, R.P.Bystrov., V.A. Nikolacv, A.V.Sokolov, l.A.Panin, D.A.Nosdrachev. Experimental Research on Detection and recognition of Ground Objects on the basis of Polarization Parameters // Trid Int. Sym. MSMW, Kharkov, Ukraine, Sept. 15-I7,v 2,-!998.-p.485-491

V.N.Antifeev, A.B.Borsov, R.P.Bystrov, D.A.Nosdrachev, G.L.Pavlov,

A.V.Sokolov. Digital Computer Simulation of Radar scattering Fields for Complex Shape Objects// Trid Int. Syin. MSMW, Kharkov, Ukraine, Sept. 15-17,v 2,-1998,-p.494-495

4. V.N.Antifeev, A.B.Borsov , R.P. Bystrov, D.A.Nosdrachev, A.V.Sokolov , V.B.Suchkov. The Analysis of Radar-Tracking scenes via Mathematical Simulation Method//Trid Int. Sym. MSMW, Kharkov, Ukraine, Sept. 15-17,v 2,-1998 -p 196

5. А.Б.Борзов, Р.П.Быстров, Д.А.Ноздрачев, Б.А.Самородов, Л В.Соколов Анализ радиолокационной заметности объекта сложной формы// 'Груды 7-ой международной конференции в Фирсановке, т 2,-. 1998,- стр 93-98

Подписано к печати 4.05.2000 г. Зак. 74 объем 1 О.п.л. Тир 100 Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана