автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Моделирование переотражателей радиолучевых систем обнаружения

На правах рукописи

АНДРЕЕВ Павел Геннадьевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕОТРАЖАТЕЛЕЙ РАДИОЛУЧЕВЫХ СИСТЕМ ОБНАРУЖЕНИЯ

Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПЕНЗА 2005

Работа выполнена в Пензенском государственном университете на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры».

Научный руководитель - доктор технических наук,

доцент Якимов А. Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Макарычев П. П.; доктор технических наук, доцент Сальников И. И.

Ведущая организация - Федеральное государственное унитарное предприятие ПО «Старт».

Защита диссертации состоится «_»_2005 г.,

в «_» часов, на заседании диссертационного совета Д 212.186.04

в Пензенском государственном университете по адресу: 440026, г. Пенза, ул. Красная, 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета.

Автореферат разослан «_»_2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук,

профессор Смогунов В. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В условиях конкурентной борьбы, усиления террористической угрозы деятельность особо важных промышленных объектов невозможна без обеспечения их комплексной безопасности. Перспективным направлением в разработке таких систем является использование радиолучевых методов обнаружения. Однако и в системах обнаружения, использующих эти методы, до настоящего времени существует ряд проблем, привлекающих внимание ученых и являющихся предметом их дискуссий: необходимость учета сложной структуры используемого электромагнитного поля в промежуточной зоне излучения, характерной для таких систем, значительное влияние подстилающей поверхности Земли, образование зон потенциального пропуска дели и др.

Отсутствие адекватных математических моделей рассматриваемых систем не позволяет исследовать их характеристики на этапе проектирования. В связи с этим особую актуальность приобретают построение математических моделей радиолучевых систем и их компонентов с учетом особенностей распространения электромагнитных волн на фоне земной поверхности, а также исследование таких систем с помощью этих моделей.

Наибольший вклад в решение проблем математического моделирования излучения, рассеяния и распространения электромагнитных волн внесли Л. Д. Бахрах, А. Б. Борзов, Р. П. Быстрое, Д. И. Воскресенский, В. В. Никольский, Р. В. Островитянов, Ю. Г. Смирнов, А. В. Соколов, Л. А. Школьный и другие ученые.

Успехи в области вычислительной техники, численных методов и математического моделирования позволяют найти принципиально новые подходы к развитию методов моделирования и существующих математических моделей, что позволяет провести оптимизацию конструкций исследуемых изделий на этапе их проектирования.

Цель диссертационной работы. Работа посвящена созданию математических моделей переотражателей электромагнитных волн с учетом влияния земной поверхности и оптимизации их конструкций и пространственного размещения в радиолучевых системах обнаружения, работающих в конкретных условиях эксплуатации.

В соответствии с целью работы при проведении теоретических и экспериментальных исследований решены следующие задачи:

- проведено моделирование системы обнаружения радиолучевого типа с переотражателем для исследования и оптимизации ее характеристик с учетом влияния поверхности Земли;

-разработана математическая модель переотражателя как пространственно-распределенного объекта для исследования его характеристик рассеяния для расширенного интервала углов падения, включая углы близкие к 90°;

- предложены алгоритмы, критерий оптимизации геометрических размеров и условие выбора пространственного размещения плоского прямоугольного переотражателя, работающего в составе радиолучевой системы обнаружения;

- с использованием разработанных моделей и алгоритмов определены оптимальные геометрические размеры и пространственное размещение плоского прямоугольного переотражателя для реально действующей радиолучевой системы охраны периметров РЛД 94 УМ-150-18-П.

Предметом исследования являются методы моделирования распространения и переотражения электромагнитных волн на фоне отражений от земной поверхности и возможности оптимизации конструкций и пространственного положения переотражателей в радиолучевых системах обнаружения.

Методы исследований. При проведении исследований использовались положения теории электромагнитных полей, электродинамики и распространения радиоволн; методы вычислительной математики.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Представленная математическая модель распространения электромагнитных волн в системе обнаружения радиолучевого типа позволяет учесть пространственно-распределенный характер переотражателя и подстилающей поверхности Земли.

2. Разработанная математическая модель переотражателя позволяет определить его характеристики рассеяния для расширенного интервала углов падения волны на поверхность, включая углы, близкие к 90°, с учетом вторичной дифракции.

3. Предложенные модели, алгоритмы и критерий оптимизации позволяют определить оптимальные геометрические размеры и про-

странственное размещение плоского прямоугольного переотражателя в составе радиолучевой системы обнаружения с учетом пространственно-распределенного характера поверхности переотражателя и подстилающей поверхности Земли.

4. Проведенные исследования влияния амплитудно-фазовой структуры поля у переотражателя на его характеристику рассеяния показали: из-за сильного влияния земной поверхности в пределах первой зоны Френеля возникает существенная неравномерность амплитуды, которую необходимо учитывать; при изменении фазы в пределах поверхности переотражателя на я, возникающем вне первой зоны Френеля, увеличение его размеров не приводит к существенному росту уровня сигнала в приемнике системы обнаружения.

Практическая значимость материалов диссертации состоит в использовании разработанных моделей, методик, алгоритмов и результатов исследования для решения задач проектирования конструкций переотражателей радиолучевых систем обнаружения, отвечающих эксплуатационным требованиям, применение которых позволяет повысить эффективность охраны объектов.

Реализация и внедрение результатов. Исследования проводились на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры» Пензенского государственного университета в рамках госбюджетных тематик.

Материалы диссертации нашли практическую реализацию при выполнении инициативной НИР, гранта и ряда работ на передачу документации по договорам о творческом сотрудничестве.

Результаты диссертационной работы в виде математических моделей, рекомендаций по оптимизации конструкций переотражателей и их оптимальному пространственному размещению внедрены в ДГУП Научно-исследовательский и конструкторский институт радиоэлектронной техники (НИКИРЭТ) ФГУП «СНПО «Элерон» (г. Заречный, Пензенская область).

Разработанные в диссертации модели и алгоритмы используются в учебном процессе кафедры «Конструирование и производство радиоаппаратуры» Пензенского государственного университета при подготовке студентов специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств» по дисциплине «Техническая электродинамика».

На защиту выносятся следующие положения:

- математическая модель радиолучевой системы обнаружения с переотражателем, позволяющая определить коэффициент ретрансляции сигнала переотражателем с учетом влияния поверхности Земли;

- пространственно-распределенная математическая модель переотражателя, позволяющая определить характеристики рассеяния плоского прямоугольного переотражателя с учетом вторичной дифракции для расширенного интервала углов падения, включая углы, близкие к 90°;

- критерий оптимизации геометрических размеров плоского прямоугольного переотражателя электромагнитных волн, методика и алгоритм выбора его пространственного размещения относительно земной поверхности, антенн передатчика и приемника радиолучевой системы обнаружения;

- результаты исследований влияния параметров конструкции плоского прямоугольного переотражателя на характеристики радиолучевой системы охраны периметров РЛД 94 УМ-150-18-П с использованием разработанных моделей и алгоритмов, учитывающих пространственно-распределенный характер переотражателя и земной поверхности.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем» (г. Пенза, 1998); Всероссийской с международным участием научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» (г. Красноярск, 1998); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2000-2002); Третьей Всероссийской научно-практической конференции «Технические средства охраны, комплексы охранной сигнализации и системы управления доступом» (г. Заречный, Пензенская область, 2000); Третьей Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (г. Ульяновск, 2001); Третьей Всероссийской научно-практической конференции «Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов» (г. Заречный, Пензенская область, 2002); Международном юбилейном симпозиуме

«Актуальные проблемы науки и образования» (г. Пенза, 2003); V Всероссийской научно-технической конференции «Современные охранные технологии и средства обеспечения безопасности объектов» (г. Пенза - г. Заречный, Пензенская область, 2004); Международном симпозиуме «Надежность и качество» (г. Пенза, 2004-2005).

Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (111 наименований) и приложения. Объем работы: 249 страниц основного машинописного текста, включающего 77 рисунков и 8 таблиц, приложение на 4 страницах.

Автор признателен коллективу кафедры «Конструирование и производство радиоаппаратуры» Пензенского государственного университета за оказанную поддержку в работе над диссертацией, а кандидату технических наук, доценту И. В. Романчеву - за консультирование по четвертой главе диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разработки моделей, алгоритмов и методик, позволяющих оптимизировать конструкции переотражателей и выбрать их пространственное размещение между антеннами передатчика и приемника радиолучевых систем обнаружения, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, изложены полученные результаты, показана практическая значимость работы, приведены сведения об использовании результатов работы, ее апробации и публикациях.

В первой главе рассматриваются особенности радиолучевых систем обнаружения, работающих как самостоятельно, так и в составе интегрированных систем безопасности. Дана сравнительная оценка радиолучевых систем охраны периметров и других систем охраны. Рассмотрены основные проблемы и указаны возможные пути их решения. Обоснована необходимость создания математических моделей, позволяющих решить задачи оптимизации конструкций переотражателей и их пространственного размещения, а также повысить эффективность проектирования и эксплуатации радиолучевых систем обнаружения.

Дана сравнительная оценка методов моделирования переотражателей, и намечены пути решения поставленных задач.

Традиционно для обеспечения охраны участка периметра объекта используются два комплекта оборудования радиолучевой системы обнаружения, служащих для передачи и приема электромагнитных волн сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Использование переотражателя электромагнитных полей позволяет значительно сократить количество комплектов оборудования на единицу длины периметра охраняемого объекта, а также уменьшить размеры зон потенциального пропуска цели, возникающих из-за недостаточного уровня электромагнитного поля на отдельных участках периметра. Отсутствие адекватных математических моделей не позволяет определить оптимальную конструкцию и оптимальное пространственное размещение переотражателя между антеннами передатчика и приемника уже на этапе проектирования.

Существующие модели в недостаточной степени учитывают характер сложных амплитудно-фазовых распределений поля у поверхности переотражателя, а имеющие место упрощения вступают в противоречие с условиями эксплуатации переотражателя в составе системы охраны периметров. Эта проблема является узловой в проектировании, поскольку ошибка в исходных положениях зачастую не может быть далее исправлена путем совершенствования отдельных компонентов.

В диссертационной работе предлагается подход к решению задач оптимизации конструкции и пространственного размещения переотражателя на основе математического моделирования радиолучевой системы обнаружения с учетом влияния земной поверхности и крайних кромок переотражателя, сложного пространственно-распределенного характера электромагнитного поля у поверхности Земли и переотражателя.

Во второй главе рассматривается специфика распространения электромагнитных волн и использования переотражателя в двухпо-зиционной системе обнаружения. Приводятся разработанная модель радиолучевой системы обнаружения с переотражателем, оценка влияния неровностей поверхности Земли и коэффициента отражения на характеристики электромагнитного поля, модель переотражателя как пространственно-распределенного объекта, способы определения

моностатической и бистатической характеристик рассеяния переотражателя с учетом вторичной дифракции.

Математическая модель радиолучевой системы обнаружения с переотражателем строится на основе классического уравнения радиолокации. Однако при этом приемная и передающая антенны, переотражатель и подстилающая поверхность Земли представляются как пространственно-распределенные объекты, отдельные фрагменты которых рассматриваются как самостоятельные и имеющие свои геометрические, физические и амплитудно-фазовые характеристики.

Разработанная модель в соответствии с методом геометрической оптики учитывает эффективную поверхность рассеяния (ЭПР) переотражателя для каждого луча (составляющей электромагнитного поля) как для отраженного от поверхности Земли, так и для распространяющегося напрямую от антенны передатчика Ах к антенне приемника А2, отражаясь только от поверхности Р переотражателя

Можно выделить четыре составляющие, создающие в приемной точке электромагнитное поле при сильном влиянии поверхности Земли и проходящие через каждую точку поверхности переотражателя: луч, проходящий участки «передатчик-переотражатель» и «переотражатель-приемник» напрямую без отражений от Земли; луч, проходящий участок «передатчик-переотражатель» напрямую без отражений от Земли, а участок «переотражатель-приемник» с отражением от Земли; луч, проходящий участок «передатчик-переотражатель» с отражением от Земли, а участок «переотражатель-приемник» напрямую без отражений от Земли; луч, проходящий оба участка с отражением от Земли. Каждая из перечисленных состав-

ляющих определяется множителем распространения волны вдоль соответствующего луча с учетом характеристик передающей антенны и поверхности Земли.

Уровень мощности на входе приемника радиолучевой системы обнаружения с переотражателем при этом определится выражением

р, = Р^ С Х2 |(^СТо| +7г;]СТг1)/го +

(4тхугх г2

где г ], гг - расстояние от антенны передатчика до переотражателя и

расстояние от переотражателя до антенны приемника соответственно; £>г2 - коэффициент, учитывающий форму поверхности Земли на участке «переотражатель-приемник»; а2 = <р2 + Р2; Рг ~ разность фаз «прямой» и отраженной волн на участке «переотражатель-приемник»; р2, Ф2 - модуль и фаза комплексного коэффициента отражения от подстилающей поверхности на участке «переотражатель-приемник»; /^прм - множитель нормированной диаграммы направленности (ДН) приемной антенны в направлении на текущую точку переотражателя; Рг - множитель нормированной ДН приемной

антенны в направлении на текущую точку поверхности Земли; ст0|, ст,, - эффективные поверхности рассеяния (ЭПР) переотражателя для прямого и отраженного от поверхности Земли лучей соответственно; F¿l, /ч, - соответственно множители распространения волны вдоль «прямого» и отраженного от Земли луча на участке «передатчик-переотражатель». Причем

где ^ прд - множитель нормированной ДН антенны передатчика в направлении на текущую точку поверхности Земли; Д., - коэффициент, учитывающий форму поверхности Земли на участке «передатчик-переотражатель»; р2 - модуль комплексного коэффициента отражения от подстилающей поверхности на участке «передатчик-переотражатель» .

Коэффициент ретрансляции Ку, характеризующий снижение уровня сигнала на входе приемника при переходе от прямой передачи сигнала к его ретрансляции переотражателем, определяется при этом выражением:

Р' г?

Р2 4л г,2

г при

где 1\ — мощность на входе приемника радиолучевой системы обнаружения, не использующей переотражатель; г0 - расстояние между антеннами передатчика и приемника; - интерференционный множитель системы при соответствующем размещении на местности; знаки « ± » выбираются при горизонтальной или вертикальной поляризации соответственно.

Для нахождения разности фаз р 1, (32, обусловленной различием длин путей 8 «прямой» и «непрямой» волн, используется выражение

Р =

2 л 5

причем для радиолучевых систем без переотражателя

справедлива формула:

8 =

IVй!

+ V + ■

К Г0

-у!г02+(И] -И2)г ,

где А!, к 2 - высоты подъема передающей и приемной антенн системы над поверхностью Земли.

Для радиолучевых систем с применением переотражателя на участке «передатчик-переотражатель» 5 определяется по выражению

5 = .

/г, + х,

^епсо8фп

+ (й, +дс,)2 +

л!(у-У\)2

к +х.

г§е„со8ф,

V ,-

- +(х + Иг)2 -т]х2 +уг +г{2,

1 У

где х , у — значения координат текущей точки по поверхности переотражателя в декартовой системе координат; хх ,>>1 - координаты центра апертуры передающей антенны; , Иг - соответственно высоты подъема центра апертуры передающей антенны и переотражателя над поверхностью Земли; 9П , фп - углы соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях, задающие направление из центра апертуры передающей антенны на текущую точку переотражателя.

Для определения 8 радиолучевых систем с применением переотражателя на участке «переотражатель-приемник» целесообразно использовать следующее полученное выражение:

5 = .

Г Ьг+Хг Л2

СОБф^

+ (и2 + х2 У - л1(х2 - х)2 + (у2 - у фф, )2 + (г0 - г,)

'2 +

л1(у2 -УЧъ)2 +{г0-г])1

Иг +х2

+ (х2+Н2)2 ,

1н912со5ф12

где х2, У2 ~ координаты центра апертуры приемной антенны; к2 - высота подъема центра апертуры приемной антенны над поверхностью Земли; 012, ф]2 - углы соответственно в вертикальной и горизонтальной плоскостях, задающие направление из текущей точки переотражателя на центр апертуры приемника.

Представление переотражателя как пространственно-распределенного объекта осуществляется с помощью дискретизации его поверхности с учетом амплитуд и фаз каждого дискретного элемента, а также с применением метода краевых волн физической теории дифракции и апертурного метода.

При выборе в качестве дискретного элемента поверхности переотражателя электрического диполя Герца комплексная напряженность рассеянного электромагнитного поля в горизонтальной плоскости определится как

где пу - количество диполей длиной с1у, укладывающихся в горизонтальном линейном размере Ьу переотражателя; Ьх - вертикальный линейный размер переотражателя; г(у0 ) - расстояние от центра диполя с координатой yoJ до точки приемной апертуры; к -

волновое число. В этом случае ЭПР переотражателя в горизонтальной плоскости равна

При использовании в качестве дискретного элемента поверхности переотражателя элемента Гюйгенса напряженность рассеянного электромагнитного поля в горизонтальной плоскости равна

где пу - количество элементов Гюйгенса длиной ¿у, укладывающихся в линейном размере Ьу переотражателя. В этом случае ЭПР переотражателя в горизонтальной плоскости равна

Однако эти модели, отличаясь достаточно малыми временными затратами на вычисление, в ряде практических случаев не позволяют получить достаточно точный результат, поэтому в этих случаях целесообразно использовать другой подход, предполагающий уменьшение размеров дискретного элемента до точки с координатами по вертикальной и горизонтальной плоскостям переотражателя соответственно х', у'. Тогда аналогично выражениям, определяющим ЭПР путем суммирования полей элементарных диполей Герца или элементов Гюйгенса, в горизонтальной плоскости переотражателя ЭПР определится как:

2

с05[ф •

где г(у') - расстояние от точки с координатой у' (центра электрического диполя Герца) до точки приемной апертуры, или выражением

точки с координатой у' (центра элемента Гюйгенса) до точки приемной апертуры.

Выбор расчетного выражения обусловлен допустимыми значениями проекций ср', 0' соответственно на горизонтальную и вертикальную плоскости моностатического угла, а также заданными точностью и машинным временем вычислений. Моностатический угол задается нормалью и направлением падения волны в случае, когда оно совпадает с направлением отраженной волны. Моностатический режим работы переотражателя используется для качественного перекрытия зоной обнаружения стыка периметра объекта со зданием (либо в иных случаях, когда невозможно установить приемную часть системы напротив передатчика).

Бистатический характер рассеяния переотражателя зависит от величины бистатического угла, который задается направлениями падения и отражения волны относительно нормали к поверхности переотражателя и определяется линейным изменением фазы электромагнитного поля вблизи поверхности переотражателя. Наилучшее приближение полученных функций к функции, вычисленной по строгим рядам и приведенной в работе П. Я. Уфимцева «Метод краевых волн в физической теории дифракции», задается следующими признаками соответствия: минимальным уровнем бокового излучения; минимальным значением ширины ДН на уровне половинной мощности; соответствием максимума главного лепестка ДН углу падения волны; минимальным значением функции при углах падения и отражения, близких к —.

2

Так, при переходе от моностатического рассеяния к бистатиче-скому получим

2

, где г -расстояние от

ст

V

4

Ч

где Фд , Ф' - соответственно углы падения и отражения в горизонтальной плоскости относительно нормали в центре переотражателя.

Выбор способа определения ЭПР зависит от углов падения и отражения волны, от близости размещения переотражателя к передатчику (или приемнику) и является оптимизационной задачей по следующим противоречащим друг другу критериям: точность и машинное время вычисления.

В работе проведены численные эксперименты с использованием предложенных математических моделей, и даны рекомендации по использованию полученных расчетных выражений. Кроме того, было получено выражение, позволяющее достигнуть наилучших результатов при больших углах падения волны на переотражатель в горизонтальной плоскости:

2

4пК

% 1н-с08(Ф^-Ф') _л

] -—-^соз(Ф'0 -Ф')<

Уг/ Уг-У

Ып(фо) 51п(ф')

Я'

где у1, у2 - соответственно координаты центров апертур антенн передатчика и приемника в горизонтальной плоскости; Ф^ , Ф' -соответственно углы падения и отражения волны в горизонтальной плоскости относительно нормали в центре переотражателя.

На рис. 2 приведены результаты расчетов по последним двум выражениям (кривые 1, 2 соответственно) в сравнении с общепринятым подходом в приближении физической оптики (кривая 3).

Вклад крайних кромок переотражателя в общее рассеянное поле определялся на основе метода краевых волн физической теории дифракции с использованием математических выражений, полученных

О 86.3

ТОН

Рис 2 Бистатические характеристики рассеяния переотражателя

П. Я. Уфимцевым для нахождения поля, рассеянного краями бесконечно тонкой и длинной, идеально проводящей ленты с учетом вторичной дифракции. При этом дифракция от края заменяется рассеянием от соответствующего бесконечно длинного клина. Отличительной особенностью предложенного подхода является то, что в качестве выражений, описывающих комплексную напряженность поля, образованного центральной частью поверхности переотражателя без учета влияния его крайних кромок применяются выражения, использующие суммирование или интегрирование по поверхности переотражателя, которая представлена набором из дискретных элементов (элементарных источников), а комплексная напряженность поля, образованного крайними кромками переотражателя, определяется как суперпозиция напряженности полей от каждого края переотражателя с учетом вторичной дифракции.

В третьей главе предложена математическая модель распространения электромагнитных волн в радиолучевой системе обнаружения, позволяющая определить структуру электромагнитного поля, необходимую для оптимизации конструкции и пространственного размещения переотражателя. Получены выражения, определяющие размеры дальней зоны распространения сигнала радиолучевой системы обнаружения, и обоснован шаг дискретизации рассматриваемой плоскости пространства для вычисления характеристик электромагнитного поля. Дана оценка влияния структуры электромагнитного поля вблизи поверхности переотражателя на характеристики его рассеяния, проведен сравнительный анализ полученных результатов с известными. Предложены критерий оптимизации геометрических размеров плоского прямоугольного переотражателя электромагнитных волн, методика, алгоритм и условие выбора его пространственного размещения в радиолучевой системе обнаружения.

Структура электромагнитного поля, создаваемого передающей антенной, определяется путем представления апертуры в виде отверстия соответствующих размеров в бесконечном непрозрачном экране, непосредственно за поверхностью которого электромагнитное поле отсутствует, т. е. напряженность поля и производная по внутренней нормали к этой поверхности интегрирования равны нулю:

дп

Учитывая условия дальней зоны, граничные условия для каждой точки поверхности отверстия, кроме точек, находящихся в непосредственной близости к его краю, и интегрируя по поверхности У/ волнового фронта, получим напряженность поля в рассматриваемой точке Р пространства за отверстием:

К = [—О + - ~ р^созООЯ,

ГУ

где 5 - расстояние от текущей точки отверстия с поверхностью А, до рассматриваемой точки пространства; % - угол между направлением на точку приема и внешней нормалью к поверхности отверстия; А - постоянная величина.

Численные расчеты, проведенные с использованием этого выра-

А ге'ь

жения, показали, что вклад компоненты — —т-соб^)^ в общее

4л у $

Л

поле излучения ничтожно мал и можно принять

0 + х)^.

Перейдя к интегрированию по поверхности 5 апертуры передающей антенны и учитывая влияние земной поверхности с помощью интерференционного множителя, получим напряженность поля в рассматриваемой точке пространства:

гк е р',кг° Не г р-'^+М

Е = —\Е3 ^ ГА-¿Б*— [£,. ^ ГАИрОг-

4п > * г0 4п > г,

где г,, г0 - пути, пройденные волной с учетом и без учета отражения от Земли соответственно; Д. - коэффициент, характеризующий форму земной поверхности; р - модуль комплексного коэффициента отражения от Земли; р; - фаза комплексного коэффициента отражения от Земли; РА, РАИ - множители нормированной диаграммы направленности антенны в направлении на рассматриваемую точку пространства и в направлении точки земной поверхности; Г , -

множители нормированной характеристики направленности элемен-

та Гюйгенса в направлении на рассматриваемую точку пространства и в направлении точки земной поверхности соответственно.

Амплитудное и фазовое распределение электромагнитного поля определяется в сечении, перпендикулярном распространению волны между передатчиком и приемником, по выражениям:

где С - константа, необходимая для соблюдения условия положительного обхода фазы.

Существенная неравномерность амплитуды в пределах первой зоны Френеля, возникающая из-за сильного влияния земной поверхности, подтверждается численными экспериментами, проведенными с использованием предложенной математической модели. Её применение позволяет также определить участки поверхности переотражателя вне первой зоны Френеля, где фаза изменяется на к, что значительно влияет на уровень сигнала в приемнике.

С применением приближения Кирхгофа получены выражения, определяющие влияние структуры электромагнитного поля с учетом его векторного характера вблизи поверхности переотражателя на характеристики его рассеяния. Отличительной особенностью предлагаемого подхода является применение численного метода с использованием интегрального оператора, связывающего распределение поля с характеристикой рассеяния переотражателя.

Проведенные расчеты показали существенное отличие характеристики рассеяния переотражателя, определяемой по предложенной модели, от характеристики, сформированной равноамплитудным распределением его поверхности, характерным для расположения переотражателя в дальней зоне излучения передающей антенны, что указывает на необходимость ее использования в проектировании радиолучевых систем обнаружения.

Предложен критерий оптимизации геометрических размеров переотражателя, основанной на исследовании тенденций роста коэффициента ретрансляции Ку и изменении его максимально допустимой относительной пульсации АК„ с изменением линейного размера переотражателя в соответствующей плоскости. Оптимизация проводится с применением известного градиентного метода и использова-

нием математической модели радиолучевой системы обнаружения с переотражателем.

При оптимизации конструкции переотражателя его размеры целесообразно выбирать не превышающими размеры первой зоны Френеля, что соответствует отсутствию переменно-фазных участков и обеспечивает достаточно высокий уровень сигнала в приемнике при минимальных размерах переотражателя.

В качестве критерия оптимизации предлагается достижение максимального уровня поля в приемнике Р-тдх.Р{Ьх,Ьу) при максимально допустимом уровне его пульсации, выполнение которого позволяет определить оптимальные геометрические размеры переотражателя, дальнейшее увеличение которых не приводит к существенному росту уровня сигнала в приемнике. Критерий оптимизации выполняется при достижении следующих условий:

- первой точки перегиба зависимости величины от линейного размера переотражателя;

- значения максимально допустимой пульсации коэффициента ретрансляции при изменении линейного размера переотражателя в соответствующей плоскости;

- отсутствия переменно-фазных участков при перемещении от центра фазовой картины в рассматриваемой плоскости пространства в сторону увеличения линейного размера переотражателя.

Изменение пространственного размещения переотражателя относительно передающей, приемной антенн и поверхности Земли существенно влияет на эффективность ретрансляции сигнала. Выбор взаимного пространственного положения переотражателя и апертур передающей, приемной антенн производится исходя из достижения равенства коэффициента ретрансляции единице: Ку(гиг2) = 1, что соответствует уровню сигнала в системе без переотражателя.

При этом осуществляется перебор возможных вариантов пространственного размещения переотражателя, апертур передающей и приемной антенн и определяются такие значения переменных, при которых обеспечивается условие ЛГДг, ,г2) = 1. Ввод дополнительных переменных и соответствующих им циклов при расчете коэффициента ретрансляции позволяет учесть большее число факторов, влияющих на работу системы. С другой стороны, увеличение числа переменных и

циклов расчета приводит к значительному росту времени вычислений и усложнению алгоритма определения пространственного положения переотражателя и апертур передающей, приемной антенн.

В четвертой главе представлены результаты исследования и оптимизации переотражателя периметровой системы радиолучевого типа РЛД 94 УМ-150-18-П с использованием разработанных моделей, алгоритмов и критерия оптимизации. Приведены рекомендации по изготовлению оптимальной конструкции переотражателя и его пространственному размещению относительно апертур передающей, приемной антенн, а также поверхности Земли. Выполнение этих рекомендаций позволяет повысить эффективность радиолучевой системы охраны периметра объекта.

В приложении приведены документы, подтверждающие внедрение результатов работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертации решена важная прикладная задача математического моделирования переотражателей электромагнитных волн, функционирующих в составе радиолучевой системы обнаружения, оптимизации их геометрических размеров и пространственного размещения при работе в конкретных условиях эксплуатации.

1. Проведено моделирование радиолучевой системы обнаружения с переотражателем, позволяющее определить коэффициент ретрансляции переотражателя в составе этой системы с учетом влияния поверхности Земли, представленной как пространственно-распределенный объект, что позволило учесть сложную амплитудно-фазовую структуру поля у поверхности переотражателя.

2. Получена пространственно-распределенная математическая модель переотражателя, позволяющая определить характеристики рассеяния плоского прямоугольного переотражателя с учетом вторичной дифракции для расширенного интервала углов падения, включая углы, близкие к 90°.

3. Разработана математическая модель распространения электромагнитных волн в радиолучевой системе обнаружения, позволяющая определить размеры первой зоны Френеля по характеру фазовой картины поля в рассматриваемой плоскости пространства, необходимые для определения оптимальных геометрических размеров переотражателя.

4. Предложены критерий выбора оптимальных геометрических размеров переотражателя и условие его пространственного размещения относительно поверхности Земли, антенн передатчика и приемника радиолучевой системы обнаружения. На основе результатов численных экспериментов, проведенных с использованием разработанных математических моделей, определены оптимальные геометрические размеры переотражателя и выбрано место его установки, обеспечивающее уровень сигнала, как в системе без переотражателя.

5. Представлены методика и алгоритмы, позволившие решить задачи оптимизации геометрических размеров и выбора пространственного размещения плоского прямоугольного переотражателя в реально действующей системе охраны периметров РЛД 94 УМ-150-18-П.

Использование разработанных математических моделей, методик и алгоритмов позволяет сократить затраты на проектирование конструкций переотражателей и системы обнаружения в целом, а также снизить её эксплуатационные расходы.

Результаты диссертационной работы имеют практическое значение. Это подтверждается их внедрением в ДГУП НИКИРЭТ ФГУП «СНПО «Элерон» (г. Заречный, Пензенская область), а также в учебный процесс кафедры «Конструирование и производство радиоаппаратуры» Пензенского государственного университета при подготовке студентов специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Андреев П. Г. Математическое моделирование отражателя электромагнитных волн I П. Г Андреев, А. Н Якимов // Информационные технологии в проектировании и производстве: Науч.-техн. журн. ГУП «ВИМИ» -2000.-№4-С. 63-64.

2. Андреев П Г. Исследование пассивной антенны радиолинии связи / П. Г. Андреев, А. Н. Андреев, А. Н. Якимов II Надежность и качество: Кн. тр. Междунар. симп. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. - С. 196.

3. Андреев П Г. Моделирование перенаправления сигнала радиолинии связи с учетом отражений от земной поверхности / П. Г. Андреев, А. Н. Якимов II Надежность и качество: Тр. Междунар. симп. - Пенза: Инф.-изд. центр ПТУ, 2001. - С. 206-207.

4. Андреев П Г. Пассивная ретрансляция электромагнитных полей плоским отражателем с учетом влияния подстилающей поверхности // Надеж-

ность и качество: Тр. Междунар. симп. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ,

2002.-С. 199-200.

5. Андреев П. Г. Математическое моделирование и численные методы в проектировании периметровых систем охраны радиолучевого типа с отражателем / П Г Андреев, Т В Андреева И Надежность и качество: Тр. Междунар. симп. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2004. - С. 146-148.

6. Андреев П. Г. Определение влияния краевых эффектов на бистатиче-скую индикатрису рассеяния отражателя электромагнитных волн // Надежность и качество: Тр. Междунар. симп. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2005.-С. 158-161.

7. Андреев П. Г. Применение численных методов в проектировании охранных систем / П. Г. Андреев, Т. В. Андреева II Современные охранные технологии и средства обеспечения безопасности объектов: Материалы V Всерос. науч.-техн. конф. (Россия, Пенза-Заречный, 18-20 мая 2004 г.) -Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2004. - С. 143-146.

8. Андреев П Г. Повышение эффективности радиотехнических систем за счет использования пассивных отражателей // Актуальные проблемы науки и образования: Тр. Междунар. юбил. симп. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ,

2003.-Т. 2.-С. 320-323.

9. Андреев П. Г. Влияние размеров пассивной антенны на величину принимаемого сигнала // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС: Межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2001. - Вып. 11. С. 64-68.

10. Андреев П Г. Определение размеров существенной области распространения электромагнитных волн в радиолинии связи аналитическим методом IП Г. Андреев, А Н Якимов II Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС: Межвуз. сб науч. тр. - Пенза' Инф.-изд. центр ПГУ, 2001.-Вып. 11.-С. 111-115.

11. Андреев П. Г. Исследование отражающих свойств земной поверхности // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС: Межвуз. сб. науч. тр. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2003. - Вып. 12. - С. 30-35.

12. Андреев П. Г. Исследование ретрансляции сигнала радиолинии связи переотражателем на фоне отражений от земной поверхности / П. Г. Андреев, А. Н. Якимов П Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем: Тр. Третьей Всерос. науч.-практ. конф. - Ульяновск, 2001. -С. 38-40.

13. Андреев П. Г. Исследование зон потенциального пропуска целей в системе обнаружения радиолучевого типа / П Г Андреев, А Н Якимов // Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. науч. тр. - Красноярск: ИПЦКГТУ, 2001. - Ч. 1,-С. 58-59.

14. Андреев П Г. Особенности пассивной ретрансляции электромагнитных полей плоскими и уголковыми двугранными отражателями на приземных участках двухпозиционных радиолучевых средств обнаружения / П. Г. Андреев, А. Н. Якимов II Проблемы объектовой охраны: Сб. науч. тр. -Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2003. - Вып. 3. - С. 23-34.

15.АндреевП. Г. Адекватность математических моделей периметровой системы обнаружения с отражателем // Проблемы объектовой охраны: Сб. науч. тр. - Пенза: Инф.-изд. центр ПГУ, 2004. - Вып. 4. - С. 41-44.

16. Андреев П Г Анализ методов синтеза антенн сверхвысоких частот / П Г Андреев, А Н Якимов // Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем: Сб. докл. науч. конф. -Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1998. - С. 256-257.

П. Андреев П. Г. Сочетание аналитических и численных методов в синтезе антенн / П. Г. Андреев, А. Н. Якимов // Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. науч. тр. Всерос. с междунар. участием науч.-техн. конф. молодых ученых и студентов, посвященной 103-й годовщине Дня радио. -Красноярск: КГТУ, 1998. - С. 119.

18 .Андреев П. Г. Математическое моделирование распространения радиоволн в системе обнаружения радиолучевого типа I П Г. Андреев, Ю. А. Оленин, А. Н Якимов II Технические средства охраны, комплексы охранной сигнализации и системы управления доступом: Тез. докл. Третьей Всерос. науч.-практ. конф. (Россия, г. Заречный, Пензенская область, 10-12 октября 2000 г.). - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. - С. 103-106.

19. Андреев П Г. Оптимизация геометрических размеров переотражателей периметровых систем обнаружения радиолучевого типа IП Г. Андреев, А. Н. Якимов II Технические средства охраны, комплексы охранной сигнализации и системы управления доступом: Тез. докл. Третьей Всерос. науч.-практ. конф. (Россия, г. Заречный, Пензенская область, 10-12 октября 2000 г.). - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. - С. 106-109.

20. Андреев П. Г. Оптимизация размеров отражателя при ретрансляции сигнала на фоне отражений от земной поверхности I П. Г. Андреев, А. Н. Якимов II Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов: Тез. докл. Третьей Всерос. науч.-практ. конф. (Россия, г. Заречный, Пензенская область, 21-23 мая 2002 г.). -Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2002. - С. 145-147.

21. Андреев П Г. Влияние антенны на формирование сигнала в системе обнаружения радиолучевого типа / П Г. Андреев, А. Н. Якимов II Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов: Тез. докл. Третьей Всерос. науч.-практ. конф. (Россия, г. Заречный, Пензенская область, 21-23 мая 2002 г.). - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2002.- С. 162-164.

Андреев Павел Геннадьевич

Моделирование переотражателей радиолучевых систем обнаружения

Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Редактор О. Ю. Ещина Технический редактор Н А. Вънлкова

Корректор С Н Сухова Компьютерная верстка С. П. Черновой

ИД № 06494 от 26.12.01

Сдано в производство 28.09 05. Формат 60x84-^/16 Бумага писчая Печать офсетная. Усл. печ л. 1,16. Заказ № 588. Тираж 100.

Издательство Пензенского государственного университета 440026, Пенза, Красная, 40.

г

Y

S

г

ч

с

к_ i

к

Г

#2 С ' i а

РНБ Русский фонд

2006-4 19506

п

/

Введение.

1 Проблемы моделирования переотражателей радиолучевых систем обнаружения.

1.1 Современные средства обеспечения комплексной безопасности объектов и особенности радиолучевых систем обнаружения.

1.2 Методы построения моделей переотражателей.

Выводы по главе 1.

2 Моделирование переотражателя электромагнитных волн двухпозиционных радиолучевых систем обнаружения.

2.1 Особенности распространения электромагнитных волн в двухпозиционной системе обнаружения.

2.2 Модель радиолучевой системы обнаружения с переотражателем.

2.2.1 Определение коэффициента ретрансляции сигнала.

2.2.2 Учет неровностей поверхности Земли.

2.2.3 Исследование комплексного коэффициента отражения от земной поверхности.

2.3 Моделирование переотражателя как пространственно-распределенного объекта.

2.3.1 Определение основных характеристик переотражателя.

2.3.2 Моностатическая индикатриса рассеяния переотражателя.

2.3.3 Бистатическая индикатриса рассеяния переотражателя.

2.3.4 Краевые эффекты при бистатическом рассеянии переотражателя.

2.3.5 Определение бистатической индикатрисы рассеяния с учетом влияния крайних кромок переотражателя

Выводы по главе 2.

3 Оптимизация конструкции и выбор пространственного размещения переотражателя в радиолучевой системе обнаружения.

3.1 Моделирование распространения электромагнитных волн в радиолучевой системе обнаружения.

3.1.1 Представление антенны как пространственно-распределенного источника электромагнитных волн.

3.1.2 Определение первой зоны Френеля и существенной области пространства радиолучевой системы обнаружения.

3.1.3 Определение минимального расстояния до дальней зоны и обоснование выбора шага пространственной дискретизации зоны обнаружения при вычислении характеристик электромагнитного поля.

3.1.4 Учет влияния структуры электромагнитного поля вблизи поверхности переотражателя на ф характеристики его рассеяния.

3.2 Оптимизация геометрических размеров плоского прямоугольного переотражателя и выбор его пространственного размещения.

Выводы по главе 3.

4 Решение задач оптимизации переотражателя периметровой системы обнаружения радиолучевого типа РЛД-94. электромагнитных волн для определения существенной области пространства радиолучевой системы охраны периметров.

4.2 Использование математической модели плоского прямоугольного переотражателя для определения коэффициента ретрансляции сигнала и его пульсации.

4.3 Результаты исследования влияния геометрических размеров плоского прямоугольного переотражателя на уровень сигнала системы обнаружения.

4.4 Результаты исследования влияния пространственного размещения плоского прямоугольного переотражателя на коэффициент ретрансляции сигнала системы обнаружения 229 Выводы по главе 4.

Радиолучевые системы обнаружения, входящие в состав систем обеспечения комплексной безопасности различных объектов, в том числе и особо важных промышленных объектов, являются одними из перспективных средств охраны. Особенности эксплуатации характерные для таких систем порождают проблемы, затрудняющие создание адекватных математических моделей, использование которых приведет к созданию более эффективных, дешевых радиолучевых систем обнаружения, а также исследованию их характеристик на этапе проектирования.

Применение переотражателей, способных перенаправить электромагнитую волну, распространяющуюся от передатчика в сторону приемника, в местах, где периметр объекта не прямолинеен или заканчивается, позволяет уменьшить размеры зон потенциального пропуска цели и повысить эффективность охраны объектов.

Отсутствие адекватных математических моделей переотражателей в составе системы, методик, алгоритмов и критериев оптимизации их конструкции и пространственного размещения не позволяет эффективно решать задачи их проектирования и использования в радиолучевых системах обнаружения.

Достаточно низкое расположение апертур передающей и приемной антенн радиолучевой системы приводит к взаимодействию электромагнитного поля объемной зоны обнаружения (030) с поверхностью Земли, сильному влиянию последней на это поле и, следовательно, на параметры системы в целом. Это, в свою очередь, приводит к необходимости рассматривать земную поверхность как пространственно-распределенный объект, что позволяет преодолеть определенные трудности при решении задач проектирования радиолучевых систем охраны на основе моделирования.

Распространение сигнала от антенны передатчика к антенне приемника через переотражатель в системе осуществляется как в дальней, так и в средней зоне излучения электромагнитной волны, что вызывает необходимость учета сложной структуры используемого электромагнитного поля в 030, а также представления апертуры передающей антснцы и переотражателя как пространственно-распределенных объектов.

Общепринятые подходы к определению характеристики рассеяния переотражателя применимы только в тех случаях, когда угол между направлением на антенны передатчика и приемника относительно нормали в центре переотражателя находится в пределах ширины ДН переотражателя по уровню половинной мощности [35]. Когда углы падения и отражения волны относительно нормали переотражателя велики, то такое представление вносит существенную погрешность в расчеты, поэтому необходимы новые подходы к решению задач определения характеристик рассеяния с использованием математического моделирования.

Кроме того, для больших значений углов падения волны на поверхность переотражателя необходим учет краевых эффектов и вторичной дифракции при определении индикатрисы рассеяния переотражателя, что не позволяют учесть известные модели рассеяния электромагнитных волн [35, 65, 96].

Актуальность темы.

В условиях конкурентной борьбы, усиления террористической угрозы деятельность особо важных промышленных объектов невозможна без обеспечения их комплексной безопасности. Перспективным направлением в разработке таких систем является использование радиолучевых методов обнаружения. Однако, и в системах обнаружения, использующих эти методы, до настоящего времени существует ряд проблем, привлекающих внимание ученых и являющихся предметом их дискуссий: необходимость учета сложной структуры используемого электромагнитного поля в промежуточной зоне излучения, характерной для таких систем; значительное влияние подстилающей поверхности Земли, образование зон потенциального пропуска цели и др.

Отсутствие адекватных математических моделей рассматриваемых систем не позволяет исследовать их характеристики на этапе проектирования. В связи с этим особую актуальность приобретает построение математических моделей радиолучевых систем и их компонентов с учетом особенностей распространения электромагнитных волн на фоне земной поверхности, а так же исследование таких систем с помощью этих моделей.

Наибольший вклад в решение проблем математического моделирования излучения, рассеяния и распространения электромагнитных волн внесли Л.Д. Бахрах, А.Б. Борзов, Р.П. Быстров, Д.И. Воскресенский, В.В. Никольский, Р.В. Островитянов, Ю.Г. Смирнов, А.В. Соколов, JI.A. Школьный и другие ученые.

Успехи в области вычислительной техники, численных методов и математического моделирования позволяют найти принципиально новые подходы к развитию методов моделирования и существующих математических моделей, что позволяет провести оптимизацию конструкций исследуемых изделий на этапе проектирования.

Цель диссертационной работы.

Работа посвящена созданию математических моделей переотражателей электромагнитных волн с учетом влияния земной поверхности и оптимизации их конструкций и пространственного размещения в радиолучевых системах обнаружения, работающих в конкретных условиях эксплуатации.

В соответствии с целью работы при проведении теоретических и экспериментальных исследований решены следующие задачи: проведено моделирование системы обнаружения радиолучевого типа с переотражателем для исследования и оптимизации ее характеристик с учетом влияния поверхности Земли; разработана математическая модель переотражателя как пространственно-распределенного объекта для исследования его характеристик рассеяния для расширенного интервала углов падения, включая углы, близкие к 90 градусам; предложены алгоритмы, критерий оптимизации геометрических размеров- и; условие выбора пространственного размещения плоского прямоугольного переотражателя, работающего в составе радиолучевой системы обнаружения; с использованием: разработанных моделей и алгоритмов определены оптимальные геометрические размеры и: пространственное размещение плоского прямоугольного переотражателя для реально действующей радиолучевой системы охраны периметров РЛД 94 УМ-150-18-П.

Предмет исследования;

Предметом исследования являются методы моделирования распространения: и переотражения электромагнитных волн на фоне отражений от земной поверхности и возможности оптимизации конструкций и пространственного положения переотражателей в радиолучевых системах обнаружения.

Методы исследований;.

При проведении исследований использовались: положения: теории электромагнитного поля; электродинамики и распространения радиоволн; методы вычислительной математики.

Научная новизна;

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Представленная! математическая модель распространения; электромагнитных волн- в системе обнаружения- радиолучевого типа позволяет учесть пространственно-распределенный характер переотражателя и подстилающей поверхности Земли.

2. Разработанная математическая? модель переотражателя позволяет определить его характеристики рассеяния для расширенного интервала углов падения: волны на поверхность, включая углы, близкие к 90 градусам, с учетом вторичной дифракции.

3. Предложенные модели, алгоритмы и с критерий оптимизации: позволяют определить оптимальные геометрические размеры и пространственное размещение плоского прямоугольного переотражателя в составе радиолучевой системы обнаружения с учетом пространственно-распределенного характера поверхности переотражателя и подстилающей поверхности Земли.

4. Проведенные исследования влияния амплитудно-фазовой структуры поля у переотражателя на его характеристику рассеяния показали: из-за сильного влияния земной поверхности в пределах первой зоны Френеля возникает существенная: неравномерность амплитуды, которую необходимо учитывать; при изменении фазы в пределах поверхности переотражателя на к 5. возникающем вне первой зоны Френеля, увеличение его размеров не приводит к существенному росту уровня сигнала в приемнике системы обнаружения.

Практическая значимость.

Практическая значимость работы состоит в, использовании разработанных моделей, методик, алгоритмов и результатов исследования для решения задач проектирования конструкций переотражателей радиолучевых систем обнаружения, отвечающих эксплуатационным требованиям, применение которых позволяет повысить эффективность охраны объектов.

Реализация и внедрение результатов.

Исследования проводились на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры» Пензенского государственного университета в рамках госбюджетных тематик.

Материалы диссертации нашли практическую реализацию при выполнении инициативной НИР, гранта и ряда работ на передачу документации по договорам о творческом сотрудничестве.

Результаты диссертационной работы в виде математических моделей, рекомендаций по оптимизации конструкций переотражателей и их оптимальному пространственному размещению внедрены в ДГУП Научно-исследовательский и конструкторский институт радиоэлектронной техники (НИКИРЭТ) ФГУП "СНПО "Элерон" (г. Заречный Пензенской области).

Разработанные в диссертации модели и алгоритмы используются в учебном процессе кафедры "Конструирование и производство радиоаппаратуры" Пензенского государственного университета при подготовке студентов специальности "Проектирование и технология радиоэлектронных средств" по дисциплине "Техническая электродинамика".

На защиту выносятся следующие положения: математическая модель радиолучевой системы обнаружения с переотражателем, позволяющая определить коэффициент ретрансляции сигнала переотражателем с учетом влияния поверхности Земли; пространственно-распределенная математическая модель переотражателя, позволяющая определить характеристики рассеяния плоского прямоугольного переотражателя с учетом вторичной дифракции для расширенного интервала углов падения, включая углы, близкие к 90 градусам; критерий оптимизации геометрических размеров плоского прямоугольного переотражателя электромагнитных волн, методика и алгоритм выбора его пространственного размещения относительно земной поверхности, антенн передатчика и приемника радиолучевой системы обнаружения; результаты исследований влияния параметров конструкции плоского прямоугольного переотражателя на характеристики радиолучевой системы охраны периметров РЯД 94 УМ-150-18-П с использованием разработанных моделей и алгоритмов, учитывающих пространственно-распределенный характер переотражателя и земной поверхности.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались: на Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы анализа и обеспечения надежности и качества приборов, устройств и систем», г. Пенза, 1998 г.; на Всероссийской с международным участием научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники», г. Красноярск, 1998 г.; на Международном симпозиуме «Надежность и качество», г. Пенза, 2000 — 2002 г.; на Третьей Всероссийской научно-практической конференции «Технические средства охраны, комплексы охранной сигнализации и системы управления доступом», г. Заречный, Пензенской области, 2000 г.; на Третьей Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем», г. Ульяновск, 2001 г.; на Третьей Всероссийской научно-практической конференции «Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов», г. Заречный, Пензенской области, 2002 г.; на Международном юбилейном симпозиуме «Актуальные проблемы науки и образования», г. Пенза, 2003 г.; на Пятой Всероссийской научно-технической конференции «Современные охранные технологии и средства обеспечения; безопасности объектов», г. Пенза—г. Заречный, Пензенской области, 2004 г.; на Международном симпозиуме «Надежность и качество», г. Пенза, 2004 —2005 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликована 21 печатная работа.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы (111 наименований) и приложения. Объем работы: 249 страниц основного машинописного текста, включающего 77 рисунков и 8 таблиц, приложения на 4 страницах.

Выводы по главе 4

1. В результате проведения численных экспериментов с использованием математической модели распространения электромагнитных волн, согласно предложенному алгоритму был определен максимально допустимый вертикальный размер переотражателя по условию отсутствия переменно-фазных участков, при его установке на расстояниях ^ = 5 метров и г{ = 75 метров от апертуры передающей антенны. Определение оптимального вертикального размера переотражателя проводилось с использованием градиентного метода Конжунгейта.

2. Численные эксперименты, проведенные с использованием модели периметровой системы радиолучевого типа с переотражателем, позволили определить функциональную зависимость коэффициента ретрансляции Kv и его пульсации AKv от вертикального размера Lx при расстоянии от апертуры передающей антенны Г\ = 75 метрам.

3. Определен оптимальный вертикальный размер переотражателя с использованием градиентного метода Конжунгейта по условиям достижения максимального уровня сигнала в приемнике: при минимальном значении пульсации AKV коэффициента ретрансляции; при первой точки перегиба зависимости величины коэффициента ретрансляции Kv и при отсутствии переменно-фазных участков на поверхности переотражателя с изменением его вертикального линейного размера. Оптимальный вертикальный размер составил Lx =211,4 см и его можно рекомендовать к использованию в системе РЛД 94 УМ-150-18-П.

4. Определен оптимальный горизонтальный размер переотражателя с использованием градиентного метода Конжунгейта согласно условию достижения максимального уровня сигнала в приемнике при отсутствии переменно-фазных участков на поверхности переотражателя с изменением его горизонтального линейного размера, который составил Ly =216 см.

5. Определено размещение переотражателя размерами 211,4x216 см между апертурами передающей и приемной антенн в виде таблицы значений г\, /2 ПРИ подъеме его центра над поверхностью Земли на величину h = 1,057 метра и повороте относительно нормали апертуры передающей антенны на угол 45 градусов, обеспечивающее соответствие уровню сигнала в системе без переотражателя.

Заключение

В диссертации решена важная прикладная задача математического моделирования переотражателей электромагнитных волн, функционирующих в составе радиолучевой системы обнаружения, оптимизации их геометрических размеров, и пространственного размещения при работе в конкретных условиях эксплуатации.

1. Проведено моделирование радиолучевой системы обнаружения с переотражателем, позволяющее определить коэффициент ретрансляции переотражателя в составе этой системы, с учетом влияния поверхности Земли, представленной как пространственно-распределенный объект, что позволило учесть сложную амплитудно-фазовую структуру поля у поверхности переотражателя.

2. Получена пространственно-распределенная математическая модель переотражателя, позволяющая определить характеристики рассеяния плоского прямоугольного переотражателя с учетом вторичной дифракции для расширенного интервала углов падения, включая углы близкие к 90 градусам.

3. Разработана математическая модель распространения электромагнитных волн в радиолучевой системе обнаружения, позволяющая определить размеры первой зоны Френеля по характеру фазовой картины поля в рассматриваемой плоскости пространства, необходимую для определения оптимальных геометрических размеров переотражателя.

4. Предложены критерий выбора оптимальных геометрических размеров переотражателя и условие его пространственного размещения относительно поверхности Земли, антенн передатчика и приемника радиолучевой системы обнаружения. На основе результатов численных экспериментов, проведенных с использованием разработанных математических моделей, определены оптимальные геометрические размеры переотражателя и выбрано место его установки, обеспечивающее уровень сигнала как в системе без переотражателя.

5. Представлены методика и алгоритмы, позволившие решить задачи оптимизации геометрических размеров и выбора пространственного размещения плоского прямоугольного переотражателя в реально действующей системе охраны периметров РЛД 94 УМ-150-18-П.

Использование разработанных математических моделей, методик и алгоритмов позволяет сократить затраты на проектирование конструкций переотражателей и системы обнаружения в целом, а также снизить её эксплуатационные расходы.

Результаты диссертационной работы имеют практическое значение. Это подтверждается их внедрением в ДГУП НИКИРЭТ ФГУП "СНПО "Элерон" (г. Заречный Пензенской области), а также в учебный процесс кафедры "Конструирование и производство радиоаппаратуры" Пензенского государственного университета при подготовке студентов специальности "Проектирование и технология радиоэлектронных средств".

1. Автоматизированное проектирование антенн и устройств СВЧ/ Д. И. Воскресенский, С. Д. Кременецкий, А. Ю. Гринев, Ю. В. Котов: Учеб. пособие для вузов. — М.: Радио и связь, 1988. — 240 с.

2. Автоматизированное проектирование устройств СВЧ/ В. В. Никольский, В. П. Орлов, В. Г. Феоктистов и др.; Под ред. В. В. Никольского. — М.: Радио и связь, 1982. — 272 с.

3. Айзенберг Г. 3. Антенны УКВ/ Г.З.Айзенберг, В. Г. Ямполъский, О. Н. Терегиин\ Под ред. Г. 3. Айзенберга. — М.: Связь, 1977. — 384 с. — 4 1—2.

4. АкуличИ.Л. Математическое программирование в примерах и задачах: Учеб. пособие. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: Высш. шк., 1993. — 336 с.

5. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров: Пер. с фр. под общей ред. К. С. Шифрина. — М.: Наука гл. ред. физ.-мат. лит., 1965. — 780 с.

6. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток/ В. С. Филиппов, Л. И. Пономарев, А. Ю. Гринев и др.; Под ред. Д. И. Воскресенского: Учеб. пособие для вузов. — М.: Радио и связь, 1994. — 592 с.

7. Антенны: Современное состояние и проблемы/ Под ред. Л.Д. Бахраха, Д.И. Воскресенского. — М.: Сов. радио, 1979. —208 с.

8. Бартон Д. Справочник по радиолокационным измерениям/ Д. Бартон, Г. Вард: Пер. с англ. под ред. М. М. Вейсбена. — М.: Сов радио, 1976. — 392 с.

9. Баскаков С. И. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб пособие для вузов по спец. "Радиотехника". — М: Высш. шк., 1992. — 416 с.

10. Батищев Д.И. Методы оптимального проектирования: Учеб. пособие для вузов. — М.: Радио и связь, 1984. — 248 с.

11. Большаков И. А. Математические основы современной радиоэлектроники/ И. А. Большаков, Л. С. Гуткин, Б. Р. Левин, Р. Л. Стратонович. — М.: Сов. радио, 1968. — 208 с.

12. Борн М. Основы оптики/ М Борн, Э. Вольф: Пер. с англ. — М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1970. — 856 с.

13. Боровиков В.А. Геометрическая теория дифракции/ В.А. Боровиков, Б.Е. КинберН. — М.: Связь, 1978. — 248 с.

14. Бронштейн И. Н. Справочник по математике для инженеров и учащихся вузов/ И. Н. Бронштейн, К. А. Семендяев; Под ред. Г. Гроше и В. Циглера\ Пер. с нем. — М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. — 544 с.

15. Вайнштейн Л.А. Теория дифракции и метод факторизации. — М.: Сов. радио, 1966. — 431 с.

16. Васильев Ф. П. Численные методы решения экстремальных задач. — М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1980. — 520 с.

17. Воробьев Е. А. Расчет производственных допусков устройств СВЧ.

18. Л.: Судостроение, 1980. — 148 с.

19. Вольман В.И Техническая электродинамика/ Вольман В.И., Пименов Ю.В. — М.: Связь, 1971.

20. Вычислительные методы в электродинамике / под ред. Р. Митры, перевод с англ. под ред. Э.Л. Бурштейна, — М.: Изд-во "Мир" 1977.21 .Грудинская Г. П. Распространение радиоволн. М.: Высш. шк., 1967.244 с.

21. ГОСТ Р 50776-95. Системы тревожной сигнализации. Часть 1. Общие требования. Раздел 4. Руководство по проектированию, монтажу и техническому обслуживанию. -М.: Госстандарт России, 1995.

22. ГОСТ Р 50775-95. Системы тревожной сигнализации. Часть 1. Общие требования. Раздел 1. Общие положения. М.: Госстандарт России, 1995.

23. ГОСТ 26342-84 Средства охранной, пожарной и охранно-пожарной сигнализации. Типы, основные параметры и размеры, 1984.

24. Датчик обнаружения «пион-т» Руководство по капитальному ремонту 08665443.009 РК

25. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Изд-во "Наука", 1977. 288 е., ил.

26. Детлаф А.А Курс физики: Учеб. пособие для вузов/ Детлаф А.А, Яворский Б.М.—М.: Высш. шк., 1989. — 608 с.

27. Долухапов М. П. Распространение радиоволн. — М.: Сов. радио, 1972. — 152 с.

28. Драбкин А. Л. Антенно-фидерные устройства/ А. Л. Драбкин, В. Л. Зузенко, А. Г. Кислое. М.: Сов. радио, 1974. — 536 с.

29. Драбкин А. Л. Антенны/ А. Л. Драбкин, Е. Б. Коренберг. — М.: Радио и связь, 1992.— 114 с.31 .ЖукМ. С. Проектирование антенно-фидерных устройств/ М. С. Жук, Ю. Б. Молочков. — M.-JL: Энергия, 1966. — 648 с.

30. Жук М. С. Проектирование линзовых, сканирующих, широкодиапазонных антенн и фидерных устройств/ М. С. Жук, Ю. Б. Молочков. — М.: Энергия, 1973. —440 с.

31. Ильинский А.С. Дифракция электромагнитных волн на проводящих тонких экранах/ А. С. Ильинский, Ю Г. Смирнов. — М.: ИПРЖР, 1996. — 176 с.

32. Ильинский А. С. Математические модели электродинамики/ А. С. Ильинский, В. В. Кравцов, А. Г. Свешников: Учеб. пособие для вузов. — М.: Высш. шк., 1991. — 224 с.

33. Калинин А. И Распространение радиоволн и работа радиолиний/ А. И. Калинин, Е. Л. Черепкова. — М:: Связь, 1971. — 440 с.

34. Кашин Б.С. Ортогональные ряды/ Кашин Б.С., Саакян А.А. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984.

35. Кинг Р. Антенны в материальных средах/ Р. Кинг, Г. Смит: Пер. с англ. под ред. д-ра техн. наук В. Б. Штейншлейгера. В 2-х кн. — М.: Мир, 1984. —824 с.

36. Кобак В. О. Радиолокационные отражатели/ Под ред. О. Н. Леонть-евского. — М.: Сов. радио, 1975. — 248 с.

37. КрасюкН. П. Влияние тропосферы и подстилающей поверхности на работу РЛС/ Я. П. Красюк, В. Л. Коблов, В. Н. Красюк. — М.: Радио и связь, 1988. —216 с.

38. КрасюкН. П. Электродинамика и распространение радиоволн/ Я. П. Красюк, Я. Д. Дымович. — М.: Высш. шк., 1974. — 536 с.

39. Крутецкий И. В. Электромагнитные колебания и волны: Учеб. пособие. — Л.: СЗПИ, 1979. — 76 с.

40. Кюн Р. Микроволновые антенны: Пер. с нем. — Л.: Судостроение, 1967. —518 с.

41. Ландау Л. Д. Электродинамика сплошных сред/ Л.Д.Ландау, Е. М. Лифшиц. — М.: ГИТТЛ, 1957.

42. Лавров Г.А. Приземные и подземные антенны/ Г.А. Лавров, А. С. Князев с М: "Сов. Радио", 1965. — 475 с.

43. Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. Техника сверхвысоких частот: Учебник для студентов вузов по спец. "Электронные приборы"/ Под ред. академика Я. Д. Девяткова. — М.: Высш. шк., 1970. — 440 с.

44. Лебедев И. В. Техника и приборы СВЧ. Т. 2. Электровакуумные приборы СВЧ: Учебник для студентов вузов по спец. "Электронные приборы"/ Под ред. академика Н. Д. Девяткова. — М.: Высш. шк., 1972. — 376 с.

45. Марков Г. Г. Математические методы прикладной электродинамики/ Г. Т. Марков, Е. Н. Васильев. — М.: Изд-во "Сов радио", 1970. — 120 с.

46. МенцерДж. Р. Дифракция и рассеяние радиоволн. — М.: Сов. радио, 1958. — 148 с.51 . Милованов О. С. Техника сверхвысоких частот/ О. С. Милованов, Н. П. Собенин: Учеб. пособие для вузов. — М.: Атомиздат, 1980. — 464 с.

47. Минкович Б. М. Теория синтеза антенн/ Б. М. Минкович, В. П. Яковлев. — М.: Сов. радио, 1969. — 296 с.53; Моделирование в радиолокации/ А.И. Леонов, В.Н. Васенев, Ю.И. Гайдуков и др.; Под ред. А.И. Леонова. М;: "Сов. радио", 1979. - 264 с. с ил.

48. МЭК 839-2-2(1987) Системы тревожной сигнализации. Часть 2. Требования к системам,охранной сигнализации. Раздел 2. Требования:к увещателям. Общие положения.

49. Никольский В. В; Электродинамика и распространение радиоволн/ В. В. Никольский, Т. И. Никольская: Учеб. пособие для вузов. — М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. — 544 с.

50. Оптимизация конструкций при проектировании радиоэлектронных средств/ А. М. Тартаковский, В. Е. Курносое, А. Н. Якимов, А. В. Блинов: Монография. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 1998. — 184 с.

51. Островитянов Р.В. Статистическая теория радиолокации протяженных целей/ Р. В. Островитянов, Ф. А. Басалов. — М.: Радио и связь, 1982. — 232 с.

52. Пистолькорс А. А. Введение в теорию адаптивных антенн/ А. А. Пистолькорс, О. С. Литвинов.— М.: Наука, 1991. — 200 с.

53. Плис А.И. MathCad 2000. Математический практикум для экономистов и инженеров: Учеб. пособие/ Плис А.И, Сливина НА. — М.: Финансы и статистика, 2000. — 656 с.

54. Проблемы радиолокации протяженных объектов: Межвузовский сборник. — Свердловск: изд-во УПИ им. С. М. Кирова, 1983. — 160 с.

55. Сазонов ДМ. Антенны и устройства СВЧ. — М.: Высш. шк., 1988. — 432 с.

56. Сафронов Г. С. Введение в радиоголографию/ Г. С. Сафронов, А. П. Сафронова: — М.: Сов. радио, 1973. — 288 с.

57. Семенов Н. А. Техническая;электродинамика: Учеб. пособие для вузов. — М.: Связь, 1973. — 480 с.

58. Сегё Г. Ортогональные многочлены/ Перевод с англ. Я.Л. Герониму--М.: из-во Физико-математической литературы., 1962.

59. Современная радиолокация (анализ, расчет и проектирование систем)/ Пер. с англ. под ред. Кобзарева Ю. Б. — М.: Сов радио, 1969. — 705 с.

60. Справочник по радиолокации/ Под ред. М. Сколника. Т. 1. Основы радиолокации/ Под ред. Я. С. Ицхоки:: Пер. с англ. под общей ред. К. Н. Трофимова. — М.: Сов. радио, 1976. — 456 с.

61. Теоретические основы радиолокации: Учеб. пособие для вузов/ Под ред. Я. Д. Ширмана.— М.: Сов радио, 1970. — 560 с.68; Уфимцев П.Я. Метод краевых волн в физической теории дифракции. — М.: Сов. радио, 1962. — 244 с.

62. Фалъковский О. И. Техническая электродинамика: Учебник для вузов связи. — М.: Связь, 1978. — 432 с.

63. Фихтенголъц Г.М: Основы математического анализа. — М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1960. — 907 с. — Т1,2.

64. Фрадин А. 3. Антенно-фидерные устройства: Учеб. пособие для вузов связи. — М.: Связь, 1977. — 440 с.

65. Харкевич А. А. Неустановившиеся волновые явления. M.-JL: Гос. изд-во технико-теоретической литературы, 1950.— 204 с.

66. Черный Ф. Б. Распространение радиоволн. — М.: Сов. радио, 1972. — 464 с.

67. Численные методы условной оптимизации/ под ред. А.А. Петрова, перевод с англ. под ред. В.Ю. Лебедева, — М.: Изд-во "Мир" 1977. — 295 с.

68. Ширман ЯД: Основы теории обнаружения радиолокационных сигналов и измерения ихпараметров/ Я. Д. Ширман, В! Н. Голиков. — М;: Сов. радио, 1963. —278 с.

69. Шипков Г.А. Задачник по антенно-фидерным устройствам. М: "Высшая школа", 1966.

70. Якимов A. HI Электродинамические основы конструирования СВЧ :устройств и экранов: Конспект лекций.—Пенза: Пенз. политехи, ин-т, 1990.56 с.

71. Ямполъский В: Г. Антенны и ЭМС/ В. Г. Ямполъский, О. П. Фролов.

72. М.: Радио и связь, 1983. — 212с.

73. ЯнкеЕ. Специальные функции (формулы, графики, таблицы)/ Е.Янке, Ф. Эмде, Ф. Лёш\ Под ред. Л. И.Седова: Пер. с нем.—М.: Наука, 1968. —344 с.

74. Статьи, доклады и патентные документы

75. Андреев П. Г. Использование специальных функций в синтезе моноимпульсных антенн/ П. Г. Андреев, В. М. Назаров, А. Н. Якимов!I Надежность и качество. Инновационные технологии производству XXI века: Кн. докл.

76. Андреев П. Г. Оптимизация и расчет двухрамочной широкополосной антенны дециметрового диапазона/ П. F. Андреев,- А: Н. Андреев,

77. A. Н. Якимов!I НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО. Книга трудов международного симпозиума/ Под ред. А.Н.Андреева, А.В.Блинова, Н. К. Юркова,

78. B. А. Трусова. — Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2000. — С. 197—198.

79. Андреев П. Г. Математическое моделирование отражателям электромагнитных волн/ П. Г. Андреев, А. Н. Якимов// Информационные технологии в проектировании и производстве: Науч.-техн. журн./ ГУП "ВИМИ", 2000.-— № 4 — С. 63—64.

80. Андреев П. Г. Расчет и оптимизация рамочной дециметровой антенны/ Я. Г Андреев, Я.Я. Шолгин// Материалы 309-и Международ, науч.-студ. конференции! "Информационные:технологии".— Новосибирск: НГУ, 2001. — С. 135.

81. Андреев П. Г. Адекватность математических моделей, периметровой1 системы обнаружения; с отражателем//

82. Введенский Б.С. Современные системы охраны периметров/ Специальная техника, 2002. —№3-5.

83. Крахмапев Л.К. Обзор состояния рынка средств и систем безопасности/ Каталог электронной техники. — М.: Изд-во Электронные компоненты, 2002. — №2. — С. 74-97.

84. Оленин Ю. А. Двухпозиционные радиосистемы обнаружения ближнего действия на основе высокочастотного рассеяния поля по направлению «вперед» / Проблемы объектовой охраны: Сб. науч. тр. — Вып. 2. — Пенза: ИИЦПГУ, 2002.