автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Пространственно-скоростная селекция воздушных целей на основе анализа фазового фронта при многоточечной структуре мешающих сигналов

На правах рукописи

ВВЕДЕНСКИЙ ВЛАДИМИР ЛЕОНИДОВИЧ

ПРОСТРАНСТВЕННО-СКОРОСТНАЯ СЕЛЕКЦИЯ ВОЗДУШНЫХ ЦЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ФАЗОВОГО ФРОНТА ПРИ МНОГОТОЧЕЧНОЙ СТРУКТУРЕ МЕШАЮЩИХ СИГНАЛОВ

Специальность 05 12 14 - Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007

003160393

Работа выполнена в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете) на кафедре радиоприемных устройств

Научный руководитель

доктор технических наук профессор А А Парамонов

Официальные оппоненты

доктор технических наук профессор А Ф Котов

доктор технических наук доцент В В Алексеев

Ведущая организация

ОАО «Концерн радиостроения «Вега»

Защита состоится 9 ноября 2007 года в 15 ч 00 м на заседании диссертационного совета Д212 131 01 при Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете) по адресу 119454, Москва, проспект Вернадского, д 78

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИРЭА

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу 119454, Москва, проспект Вернадского, дом 78, МИРЭА , диссертационный совет Д212 131 01

Автореферат разослан 5 октября 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета д т н , профессор

Куликов Г В

Общая характеристика работы

Актуальность работы

В современной авиационной и космической радиолокации особую актуальность приобретает задача обнаружения малоразмерных подвижных объектов на фоне мешающих отражений от поверхности Земли, обычно многократно превосходящих сигнал объекта по интенсивности Активно ведется поиск и разработка методов и средств, повышающих возможности обнаружения низколетящих объектов, а также разработка методов противодействия обнаружению и распознаванию объектов

Существующие методы селекции подвижных объектов, реализующие селекцию по пространству, по скорости и по поляризации, не всегда способны удовлетворительно решить проблему обнаружения, так как степень подавления отражений от Земли определяется не только структурой и параметрами РЛС, но и, в значительной мере, формой и шириной спектра флюктуаций отражения, носящих случайный характер

Несмотря на наличие многочисленных публикаций и реализованных проектов, задача обнаружения низколетящих объектов в полной мере до настоящего времени не решена

С научной, технической и практической точек зрения исследование данных вопросов представляет значительный интерес для разработчиков радиолокационных средств и средств противодействия системам обнаружения

Исходя из этого, тема диссертационной работы представляется актуальной

Цель работы

Целью данной работы является разработка и исследование метода пространственно-скоростной селекции воздушных целей, основанного на анализе структуры фазового фронта суммарного сигнала движущегося объекта (воздушной цели) и подстилающей поверхности Для достижения указанной цели в работе решаются следующие задачи

- определение статистических характеристик фазового фронта суммарного сигнала, отраженного от подстилающей поверхности и воздушной цели,

- оценка влияния траекториях флюктуаций носителя РЛС на структуру фазового фронта,

- исследование влияния пространственных, амплитудных и частотных характеристик источников мешающих сигналов на ошибки пеленга-

ции,

- разработка алгоритмов построения многоточечных систем мешающих сигналов, обеспечивающих максимальные вероятности ложного пеленга защищаемого объекта

Методы исследования

Исследования выполнены с использованием методов теории вероятности и случайных процессов, методов статистической теории радиолокации, моделирования и расчетов на ЭВМ

Научная новизна работы

В данной работе получены следующие новые результаты

1 Предложен новый метод пространственно-скоростной селекции воздушных объектов по структуре колебаний фазового фронта и проведена его сравнительная оценка с амплитудным методом по уровню подпомехо-вой видимости

2 Впервые исследованы статистические свойства фазового фронта суммарного сигнала подстилающей поверхности и движущейся цели во временной и спектральной областях.

3 На основе проведенного расчета вероятности правильного обнаружения при использовании метода анализа структуры фазового фронта предложены рациональные параметры системы селекции

4 Предложен новый критерий оценки результатов пеленгования С использованием разработанной математической модели многоточечной системы источников излучения получены значения вероятности ложного пеленга в зависимости от параметров источников мешающих сигналов

5 Предложены алгоритмы построения многоточечных систем радиоэлектронной защиты, обеспечивающие максимальные вероятности ложного пеленгования

Практическая ценность результатов

Полученные в работе результаты могут быть использованы при разработке радиолокационных систем селекции движущихся объектов, использующих колебания фазового фронта Предложенные методики выбора параметров систем обнаружения и разработанная модель многоточечной структуры источников мешающих сигналов позволят повысить эффективность радиолокационных систем и уменьшить сроки их проектирования

Реализация научно-технических результатов

Результаты диссертационной работы были использованы при разработке нормативно-методических документов ФСТЭК РФ Разработанная модель многоточечной системы источников излучения использовалась при выполнении работ по заказу НИИИ ПТЗИ для численных расчетов оценки эффективности систем радиоэлектронной защиты и в учебных курсах военной кафедры МИРЭА и кафедры радиоэлектронной борьбы ВВИА им проф Н Е Жуковского Имеются соответствующие акты внедрения и использования результатов работы

Апробация работы

Основные теоретические и практические результаты доложены и обсуждены на научных семинарах военной кафедры и кафедры РПУ МИРЭА и следующих научно-технических конференциях и семинарах

• Прогрессивные направления развития радиоэлектронных комплексов и систем Юбилейная научно-техническая конференция ЦНИИРЭС - Москва, 2006 год

• Основные принципы формирования концептуальной модели защиты информации Семинар ФСТЭК — Москва, 2003 год

• Прогрессивные направления развития радиоэлектронных комплексов и систем Юбилейная научно-техническая конференция ЦНИИРЭС - Москва, 2001 год

Публикации

По теме диссертации опубликованы 4 печатные работы Результаты, полученные в работе, включены в 6 отчетов по НИР

Основные положения, выносимые на защиту

1 Принцип построения радиолокационных систем селекции воздушных целей, основанный на анализе фазового фронта отраженных сигналов

2 Предложенный метод селекции воздушных целей имеет преимущество перед известным амплитудным методом, причем при определенных условиях выигрыш может достигать 20 дБ и более

3 Наилучшие условия реализации предлагаемого метода обеспечиваются при следующих параметрах системы селекции воздушных целей по колебаниям фазового фронта время синтезирования равно времени корре-

ляции фона, высота полета носителя РЛС примерно равна высоте полета цели

4 Модель многоточечной структуры источников мешающих сигналов позволяющая оптимизировать по критерию максимальной вероятности ложного пеленга ее структуру и параметры многоточечной системы радиоэлектронной защиты число источников излучения равно 3; разность фаз сигналов источников - 180°, удаление мешающих источников от энергетического центра системы - максимально возможное, вероятность ложного пеленга при этих условиях 0,8 0,9

Объем и структура работы

Диссертационная работа изложена на 173 страницах, иллюсгриро-вана 56 рисунками Список литературы включает 99 наименований Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения и списка литературы

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность, научная и практическая значимость работы Определены объект, предмет и научная задача исследования с выделением частных исследовательских задач

В первом разделе проводится анализ существующих методов селекции движущихся объектов и дается обоснование метода селекции движущихся объектов, основанного на анализе структуры фазового фронта, для чего

- выводится уравнение линии равных фаз вектора напряженности результирующего поля, формируемого сигналами фона и движущегося объекта,

- определяется угол ¡1 (рис 1) между касательной к окружности с центром в точке О и касательной к линии равных фаз результирующего поля

-> 9 ' ^

1 1 + п + 2п со8(^0 + 2яРф 0

где (р0 - начальная фаза, Рф - 21¥ц IX, Жц - скорость движения объекта, X

- длина волны, п - отношение амплитуд сигналов источников А и В

Выражение (1) показывает, что перпендикуляр к фазовому фронту, который определяет направление на сложную цель, периодически с частотой Рф , равной доплеровской, меняет свое положение

Рис 1 Структура фазового фронта при двухточечной цели

Указанные периодические колебания фазового фронта могут быть измерены двухканальной интерферометрической системой с разносом приемных точек на расстояние й и имеющей фильтровую систему выделения частоты колебаний фазового фронта (рис 2)

Рис 2 Двухканальная интерферометрическая система

Возможное схемное решение для компенсации постоянной составляющей фона показано на рис 3 Представленная схема двухканального интерферометра имеет в одном канале фазовращатель, с помощью которого осуществляется компенсация фона Блок программного управления осуществляет поворот фазы в соответствии с перемещением стробируемо-го участка фона

Компенсация постоянной составляющей обеспечивает работу на линейном участке пеленгационной характеристики, т е наилучший режим работы по выделению колебаний фазового фронта

Таким образом, в первом разделе

1 Показано, что при движении воздушной цели фазовый фронт отраженного сигнала имеет доплеровскую составляющую

2 Получены выражения для выходных сигналов фазового детектора и фильтровой системы, которые также содержат доплеровские составляющие

3 Предложены устройства для выделения колебаний фазового фронта и селекции сигнала движущейся цели

Во втором разделе определяются статистические характеристики фазового фронта суммарного сигнала, отраженного от поверхности Земли и точечного объекта

Исходя из модели системы селекции (рис 4), отраженный сигнал фона может быть записан как сумма сигналов элементарных отражателей

= ^Аф(хк,1)С(хк)е Л , (2)

"ГЛ.

Рис 4 Модель системы селекции

X

где Аф(хкЛ) ■, <Рф(хк,У — случайные амплитуда и фаза сигнала К—го отражателя в точке приема, хк - величина отклонения А'-го отражателя от центра протяженной цели (строба), N — число элементарных отражателей цели, С(хк)~ ехр(- х\ / 2Ь2х} - диаграмма направленности антенны

Сигнал от малоразмерного объекта описывается выражением

й^г2

4яг

ОП+—(г со31//+ЖцО+фц(() Я

(3)

1]ц(Г) = Ац(Г)е

где 2 — высота полета цели, Ьх- ширина стробируемого участка

Выражения (2) и (3) позволяют получить выражение для угла наклона фазового фронта суммарного сигнала и определить его статистические характеристики

Математическое ожидание положения фазового фронта сигнала

2.

ац г&ш.у/

(4)

Дисперсия крутизны наклона фазового фронта при усреднении по пространству запишется следующим образом

„2 .„ т2 ппя^ (// 71 ят2 (// п2

(5)

2 соя2 ц/ ь\ сое2 у/ 1?х ст}. г1 вт^ (// о^

(У —----1---------1---

41)-

а4тг Б1

7Ф

2 2

Дисперсию фона получим из выражения (5) при условии, что сигнал от объекта отсутствует

Мф

2 т сое у/ Ь~х

4£>2

Нормировка дисперсии сигнала к дисперсии фона приводит к следующему результату

7 7 „7. 7 7

(7)

о- М„ | Оц ,2г1ёц/ац

Выражение (7) характеризует эффективность метода селекции в зависимости от высоты полета цели и носителя РЛС, величины стробируе-мого участка фона и отношения а2 / <Тф (рис 5)

Рис 5 Значение отношений дисперсий колебаний фазового фронта сигнала и фона для дальности 50 км

Корреляционная функция фазового фронта в случае движущейся цели определяется выражением (8), в соответствии с которым построены графики, приведенные на рис 6

К а 1 ч_4созУ

и-у+ф

('Г'2>

" 4

(1Гг2)2 (11-12)2

1 2 Ьг сое ц/ н— _ I пе

г?:.

2х%

4 4пВ?

2X1

соэ

Ал

~Л

2 2 г вш у/

(«!-<2)2 «1-(2)2

2г1

-пе

4тт

(8)

при времени корреляции фона 0,005 с и 1 с

Характерной особенностью корреляционной функции наклона фазового фронта при наличии движущейся цели является периодичность ее изменения По мере уменьшения величины тф и г,, амплитуда косинусоид уменьшается, и при значениях параметров около 0,001 с можно считать, что регулярная составляющая отсутствует

В данном разделе

1 Показано, что колебания фазового фронта суммарного сигнала имеют регулярную и флюктуирующую составляющие

2 Показано, что дисперсия фона определяется только угловыми размерами стробируемого участка фона, а дисперсия сигнала характеризуется угловыми размерами стробируемого участка фона, отношением сигнал/фон по мощности, углом наблюдения объекта и фона

3 Определена корреляционная функция колебаний наклона фазового фронта сигнала, имеющая регулярную составляющую, что подтверждает возможность обнаружения движущейся цели по колебаниям фазового фронта

В третьем разделе рассматриваются потенциальные возможности селекции воздушных целей по колебаниям фазового фронта

Вероятность правильного обнаружения определяется выражением

¡Г,

поср

- ехр

111

27!? т1

- ехр

4

2 т;

/ > \

о.20 4 1

г2 +т2 {. ТФ Тс )

(9)

где тф , тц — времена корреляции сигнала фона и цели, Тс - время обработки сигнала, а,/,2 , а,,2- дисперсии сигнала фона и цели, £10 - частота настройки фильтра

Минимальная частота Доплера, при которой вероятность обнаружения становится не хуже IV¡ю ср,,»« , равна

А 1_

т2+Т2 {Тф 1 г

1п

/

4

<у1

СРу

1 1_ _1

?Т2+т2 + т2 2 ' 1 4 2 Гс2

4яьх

(10)

Показано, что максимальное отношение сигнал/фон определяется

условием Тс ~ Тф при г,, >> т,/„ тогда выражения (9, 10) упрощаются

№ПОСр=еХР

2

^ 1,2 -Л Г"\1пц/т ехР

=

и мин 1

-1п

(11) (12)

Зависимость ,шн от Тф при разных отношениях ст^ I иц приведена на рис 7, из которого видно, что основным путем уменьшения значения ^о мин является увеличение тф и уменьшение высоты полета носителя При этом, чем больше высота полета объекта, тем Г2о шш меньше

Рис 7 Зависимость минимальной доплеровской частоты от времени корреляции фона при фиксированной высоте полета и отношении

2 2 3

с>ф / (Гц , равном 7-10,2102, 3 - 10

Выражение (11) показывает, что вероятность обнаружения движущейся цели растет с увеличением высоты полета объекта и с уменьшением высоты полета носителя РЛС

Величина выигрыша рассматриваемого метода обнаружения определяется отношением дисперсий сигнала и фона на выходных устройствах фазовой и амплитудной систем

4 =

0)

ф вых

фаз

2

ф вых ампл

2 г2 аф

= 1+

(13)

°Ф

Полученное выражение выигрыша фазовой системы позволяет производить расчет ее эффективности в зависимости от параметров цели и носителя РЛС

Из этого выражения следует, что амплитудный метод обнаружения уступает фазовому, причем выигрыш тем больше, чем больше высота полета цели и меньше стробируемый участок фона Большое значение имеет высота полета носителя РЛС, которая приводит к еще большему выигрышу, если полет носителя РЛС проходит на малых высотах

В данном разделе

1 Предложены оптимальные параметры системы селекции, обеспечивающие максимальное отношение сигнал/фон

2 Приведены результаты расчета вероятностей правильного обнаружения от времени корреляции сигнала фона и объекта, времени обработки сигнала и частоты настройки фильтра

3 Произведен расчет минимальной доплеровской частоты, при которой вероятность обнаружения становится допустимой

В четвертом разделе проведена оценка ошибок пеленгования при многоточечной структуре источников излучения, представляющей собой систему из нескольких независимых источников, один из которых является прикрываемым объектом

При излучении сигналов из нескольких точек в точке приема образуется суммарный сигнал, спектр и автокорреляционная функция (АКФ) которого отличаются от спектра и АКФ обнаруживаемого сигнала

Для четырехточечной системы источников излучения получено выражение для угла наклона фазового фронта

= —Г—а 4, (15)

где

2 2 2 хд + а\ +Я2*/ + + а^хо +х„)со& ~2ж А +

1 + ах + а| + а| + 2оц соэ 2ж ~~-{хп - л:0)81П Ч* + - (»о л +

+ а2{х о + */)со8

А

+ 2«2 сое

2ж

+ йз (хд + х1 )сов

2л

(х, +х0)зшх¥ + (<р1 -<р0)

- 2дз сое

2 ж

(х, -хо)этЧ7 + —<Ро)

+ щ а2(х„ +х/)соз

2 л

(х„ - х/) эт Ч^ + - )

- 2(21 «2 сое

2я-

2я-

(л, -х/)8тхР + ((2>г-<з/)

+ 2а]Яз сое

2я-

+ а\а^{хп +Аг)соз ' 1я у О, -хк)$тЧ>+ {<р,-<рк)

+ 2а2<2з с°5 2 я —(*/ ~ X,) втЧР + (<Р1 - <рг) А

Ак А1 А, где <31 = —, а2 а3 =

Л Л

(16)

Для двухточечной системы излучателей получено выражение _ _ Л2(х;)х/ + А2(х,)х, + Л(х/)А(х,)(хг + хг) А2(Х/) + А2(Х!) + 2А(Х/)А(Х!)

сое 2ж, -*,)!ИП ^ + {<р{Х1)-1р{х1))

сое 2ж . - х,) вш + (<Р(Х1) - <р(хг))

(17)

и показана его идентичность результатам, известным по литературе, что подтверждает правомерность проведенных вычислений для всех рассматриваемых случаев

Оценка ошибок пеленгации проведена с использованием математической модели, в которой ошибки пеленгации системы обнаружения оцениваются вероятностью ложного пеленга обнаруживаемого объекта, т е ошибками пеленгатора, вносимыми многоточечной системой

Алгоритм расчета позволяет моделировать двухточечную, трехточечную, четырехточечную структуры, причем система обнаружения находится на подвижном носителе Математическая модель позволяет менять координаты источников помех, амплитуды и начальные фазы сигналов На рис 8 в качестве примера приведены результаты моделирования для одного из рассмотренных в работе случаев

Рл] А,=А3=А3=0 1 0,5 0,9

0,90,80,7' 0,60,50,40,30 20,1

АЛ^'*------

/V"' \

/ \ ' 1 Г^ \в N2=А* /"

п 100 м,-*- 100 ыЛ-

Л,=1 ^ в Аг=0,1, 0,5,0,9

* м V 1 / 100 м/4- У 100 мХ X

0,00 0,25' 0,50' 0,75 1,00' 1,25' 1,50' 1,75' 2,00' 2,25' 2,50'

х1,у2,хэ,у3,км

Рис 8 Вероятности ложного пеленгования для четырехточечной системы при расположении излучателей квадратом (Нулевой излучатель хо=0 км, уо-0 км, Ао=1, FIo=0 град Остальные излучатели У1=*2=0 км, Р,1=К12=0 град Параметры самолета х—50 км, у=50 км, !г=10км)

Таким образом, в данном разделе

1 Предложена модель многоточечной системы источников излучения, соответствующая реальным условиям

2 Определены вероятности ложного пеленгования при синхронном и несинхронном мерцании

3 Определено количество источников излучения (равное трем), позволяющее получить максимальную ошибку пеленга при минимальном пространственном их разнесении

4 Предложены алгоритмы выбора параметров многоточечных структур

Пятый раздел посвящен математическому моделированию многоточечной системы источников излучения, изображенной на рис 9

при расположении системы обнаружения на космическом аппарате

На плоскости ХО'У расположено п излучателей 0-й излучатель считается разведываемым РЭС, остальные излучатели - помеховые станции Все точки расположены внутри зоны - круга на плоскости ХО'У с центром в начале координат и диаметром Б Величина Б выбирается такой, чтобы излучатели не разрешались спутником Б по угловым координатам Спутник пеленгует на плоскости ХО'У точку Р с координатами Азр, кр или

хр,Ур

Модель позволила определить оптимальные параметры многоточечных систем, представленные графическими зависимостями амплитудные на рис 10, пространственные - на рис 11, фазовые - на рис 12

Рис 10 Вероятность ложного пеленгования двухточечной системы

Моделирование позволяет определить рациональные параметры многоточечных систем отношение амплитуд маскирующего и маскируемого сигналов, разность фаз, расстояние между точками системы

Рис 11 Вероятности ложного пеленга трехточечной системы излучения при различных фазовых и амплитудных соотношениях сигналов

Рис 12 Вероятности ложного пеленга в зависимости от соотношения фаз двухточечной системы маскировки

Таким образом, в пятом разделе

1 Разработана математическая модель для оценки эффективности многоточечной системы источников сигналов по критерию вероятности ложного пеленга

2 Проведена оценка эффективности двухточечной и трехточечной систем

3 Определены оптимальные параметры многоточечной системы

В заключении перечислены основные результаты исследований, которые сводятся к следующему

1 Разработан и исследован метод обнаружения движущихся объектов по структуре колебаний фазового фронта суммарного сигнала, отраженного от подстилающей поверхности и объекта обнаружения

2 Показано, что предложенный метод селекции воздушных целей имеет преимущество перед известным амплитудным методом, причем при определенных условиях выигрыш в величине подпомеховой видимости может достигать 20 дБ и более

3 Определены параметры системы селекции воздушных целей по колебаниям фазового фронта, обеспечивающие наилучшие условия реализации предлагаемого метода

4 Разработаны математическая модель и алгоритмы построения многоточечных систем радиоэлектронной защиты, обеспечивающие максимальные значения вероятности ложного пеленгования, достигающие 0,8 0,9

Публикации по теме диссертации

1 Введенский В Л , Мартьянов В С Определение фазового фронта суммарного сигнала, отраженного от распределенной и точечной цели // Наукоемкие технологии - 2005 - №7, с 40-42

2 Введенский В Л, Мартьянов В С Оценка эффективности помех при многоточечной структуре систем маскировки Межвуз сб научн тр МИРЭА -М МИРЭА, 2006, с 163-170

3 Введенский В Л , Мартьянов В С Ошибки пеленгования при многоточечной структуре систем маскировки Межвуз сб научн тр МИРЭА -М МИРЭА, 2006, с 156-162

4 Введенский В Л, Мартьянов ВС// Наукоемкие технологии -2007 -№10, с 68-75

Подписано в печать 02 10 2007 Формат 60x84 1/16

Бумага офсетная Печать офсетная Уел печ л 0,93 Уел кр-отт 3,72 Уч -изд л 1,0 Тираж 100 экз Заказ 711

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет)" 119454, Москва, пр Вернадского, 78

Список сокращений

Введение

1 Обоснование метода селекции воздушных целей на основе анализа структуры фазового фронта

1.1 Анализ существующих методов селекции движущихся целей

1.2 Метод селекции воздушных целей на основе анализа структуры фазового фронта

1.3 Структура фазового фронта в ближней зоне 32 Выводы по первому разделу

2 Статистические характеристики фазового фронта сигнала, отраженного от распределенного и движущегося объектов

2.1 Флуктуации фазового фронта и их источники

2.2 Определение структуры фазового фронта суммарного сигнала, отраженного от распределенного и движущегося объектов

2.3 Структура фазового фронта с учетом движения носителя РЛС

2.4 Статистические характеристики колебаний фазового фронта

2.4.1 Математическое ожидание положения фазового фронта сигнала и фона

2.4.2 Дисперсия крутизны наклона фазового фронта

2.4.3 Корреляционная функция крутизны наклона фазового фронта

2.4.4 Энергетический спектр крутизны наклона фазового фронта

2.5 Влияние траекторных флюктуаций и внутренних шумов приемника на положение фазового фронта

Выводы по второму разделу

3 Оценка возможностей селекции воздушных целей по колебаниям фазового фронта

3.1 Характеристики обнаружения воздушных целей по структуре колебаний фазового фронта

3.2 Сравнительная оценка амплитудного метода селекции движущихся целей и метода, основанного на колебаниях фазового фронта 104 Выводы по третьему разделу

4 Оценка ошибок определения пеленга при многоточечной структуре источников излучения

4.1 Анализ структур многоточечных источников излучения

4.2 Определение угловых ошибок пеленгатора при многоточечной структуре источников излучения

4.3 Оценка ошибок пеленгации при применении многоточечной структуры источников излучения с использованием математической модели

4.4 Алгоритм расчета эффективности многоточечной системы источников излучения

4.5 Алгоритм выбора многоточечной системы источников излучения 141 Выводы по четвертому разделу

5 Математическое моделирование многоточечной системы источников излучения

5.1 Описание математической модели многоточечной системы

5.2 Анализ результатов моделирования 156 Выводы по пятому разделу

Поиски наиболее эффективных и безопасных путей преодоления системы ПВО противника в последние годы привели к совершенствованию способов боевого применения авиации на малых высотах. При этом, с точки зрения обнаружения самолетов наземными РЛС, высота полета 60 м над равнинной местностью считается оптимальной. Это обстоятельство подтверждается опытом локальных войн и интенсивной разработкой в США систем маловысотной навигации и обеспечения безопасности полетов [38, 51,54, 60, 64-69, 73-75].

Трудности обнаружения таких объектов с помощью наземных РЛС не позволяют обеспечить надежный их перехват на удаленных рубежах. В связи с этим возникает необходимость возложить задачу обнаружения низколетящих объектов на самолеты радиолокационного дозора и истребители-перехватчики, приспособленные к автономному полету и обнаружению таких объектов с одновременным решением задачи определения их местоположения. В этих условиях РЛС перехвата и прицеливания должны быть способны обнаруживать малоразмерные подвижные объекты на фоне мешающих отражений от поверхности Земли, обычно многократно превосходящих сигнал объекта по интенсивности.

Указанные тактические требования ставят актуальную задачу авиационной радиолокации - обнаружение малоразмерных воздушных целей на фоне мешающих отражений от поверхности Земли. Для РЛС перехвата и прицеливания важной задачей является также точность определения местоположения (в первую очередь пеленга) цели, что определяется расположением источников излучения в разрешаемом объеме.

Существующие методы селекции подвижных объектов по скорости или по положению в пространстве не всегда способны удовлетворительно решать проблему селекции из-за целого ряда присущих им недостатков, которые подробно изложены в разделе 1 данной работы.

Целью данной работы является

- исследование метода селекции воздушных целей, основанного на анализе структуры фазового фронта суммарного сигнала движущегося объекта и фона в частотной и фазовой областях;

- определение статистических характеристик фазового фронта суммарного сигнала;

- определение ошибок пеленгации объекта при различном пространственном расположении источников мешающих сигналов;

- исследование влияния пространственных, амплитудных и частотных характеристик источников мешающих сигналов на структуру фазового фронта;

- оценка влияния траекторных флюктуаций носителя РЛС на структуру фазового фронта;

- разработка алгоритмов определения пространственных характеристик, обеспечивающих максимальные вероятности ложного пеленга объекта;

- разработка математической модели оценки влияния параметров источников сигналов на структуру фазового фронта.

В работе рассматривается метод селекции движущихся целей (СДЦ), основанный на использовании колебаний фазового фронта, характер которых определяется скоростью и высотой полета объекта что позволяет назвать его методом пространственно-скоростной селекции (ПССЦ). Селекция по двум параметрам улучшает потенциальные возможности определения местоположения воздушных целей. Кроме того, данный метод не требует линейности амплитудных характеристик трактов прохождения сигналов, так как полезная информация о цели заложена в фазе сигналов и не может быть подавлена в нелинейных элементах.

Проведенный сравнительный анализ и полученные результаты показывают, что предлагаемый метод селекции дает выигрыш по величине подпоме-ховой видимости, определяемый параметрами объекта и системы обнаружения, по сравнению с существующими методами и является перспективным средством селекции движущихся объектов.

В ранее опубликованных работах по этому вопросу рассматривались колебания фазового фронта сигнала от двухточечной цели [2, 3, 4]. Найденные основные соотношения для двухточечной цели не охватывают круга вопросов, изучение которых необходимо для построения общей теории метода обнаружения объектов по колебаниям фазового фронта и определения их местоположения. Оценка колебаний фазового фронта производилась без учета влияния помех, способных существенно ухудшить характеристики обнаружения движущихся объектов. Важнейшими из этих помех являются угловые флюктуации сигнала объекта и мешающего фона (угловой шум); флюктуации, вызванные изменением амплитуды отраженного сигнала; флюктуации, вызванные деполяризацией сигнала при отражении от объекта; флюктуации, вызванные тепловым шумом приемного устройства.

Указанные помехи представляют собой случайные изменения параметров сигнала на интервале наблюдения и всегда сопровождают работу РЛС в реальных условиях.

Поэтому для определения возможностей метода селекции движущихся объектов и защиты РЭС, основанных на колебаниях фазового фронта, для выработки рекомендаций по применению предлагаемого метода были решены следующие основные задачи:

- определены статистические характеристики колебаний фазового фронта суммарного сигнала, отраженного от движущейся воздушной цели и подстилающей поверхности;

- проведены исследования возможностей селекции движущихся объектов;

- разработаны модели многоточечной структуры источников сигналов, влияющих на характеристики селекции;

- определены способы применения и рациональные параметры моделей систем селекции;

- определены потенциальные возможности селекции движущихся объектов.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения.

Основные результаты данной работы:

- исследованы возможности и особенности обнаружения движущихся объектов по структуре изменений фазового фронта;

- получены выражения для колебаний фазового фронта суммарного сигнала фона и движущегося объекта при переднем и секторном режимах обзора;

- определены статистические характеристики флюктуаций положения фазового фронта фона и сигнала с учетом временных, траекторных флюктуаций и внутренних шумов приемника;

- дана сравнительная оценка характеристик обнаружения движущихся объектов амплитудным методом и по колебаниям фазового фронта;

- определены ошибки пеленгации при различном пространственном расположении источников сигналов;

- разработана математическая модель оценки влияния параметров источников сигналов на структуру фазового фронта;

- определены пространственные и временные параметры источников излучения, дающие максимальные ошибки пеленгации объекта;

- разработаны алгоритмы определения пространственных характеристик источников сигналов, дающие минимальные вероятности ложного пеленга;

- предложена структура системы, обеспечивающая селекцию воздушных целей по структуре фазового фронта.

Результаты, полученные в данной работе, позволяют сделать следующие выводы:

1. Структура фазового фронта суммарного сигнала фона и движущегося объекта содержит регулярную и флюктуирующую составляющие.

Регулярная составляющая колебаний обусловлена движением объекта и численно равна доплеровской частоте. Амплитуда колебаний определяется угловыми размерами базы фон-объект и отношением сигнал/фон по мощности.

Флюктуирующие составляющие колебаний фазового фронта сигнала ухудшают условия обнаружения движущегося объекта. Это ухудшение связано с расширением энергетических спектров колебаний фазового фронта фона и сигнала, что затрудняет выделение регулярной составляющей.

2. Ширина энергетического спектра колебаний фазового фронта фона определяется временем корреляции сигнала фона, углом наблюдения, углом визирования и размерами стробируемого участка фона, а также скоростью полета носителя РЛС. В зависимости от значений указанных выше параметров ширина спектра лежит в интервале от единиц до сотен Гц.

3. Метод пространственно-скоростной селекции движущихся объектов по структуре фазового фронта увеличивает вероятность обнаружения, расширяет зону, в которой объекты обнаруживаются с заданными вероятностями, по сравнению с другими методами селекции.

Сравнительный анализ показывает, что по критерию подпомеховой видимости метод ПССЦ имеет выигрыш перед амплитудным способом селекции, равный о 2, 2 я=1+--'.

1-х где г - высота полета объекта;

Ьх - величина стробируемого участка фона;

У - угол визирования фона.

Для высоты полета цели 50 м и носителя РЛС от 10000 до 1000 м выигрыш составляет 5.10 дБ. При высоте полета цели 500 м выигрыш составляет 10.20 дБ.

Преимущество метода обнаружения движущихся объектов по структуре фазового фронта состоит еще и в том, что эффект выделения сигнала объекта не зависит от степени линейности амплитудных характеристик трактов прохождения сигналов.

4. Величина подпомеховой видимости метода СДЦ по структуре колебаний фазового фронта является функцией опорной частоты канала, времени синтезирования, угла визирования и высо ты полета объекта.

При нулевой опорной частоте канала величина подпомеховой видимости численно равна ц.

5. Оптимальное время синтезирования, обеспечивающее наибольшее отношение сигнал/фон равно времени корреляции фазы сигнала фона.

6. Полученные характеристики пространственно-временного поля и результаты проведенного моделирования позволяют предложить рациональную схему расположения источников излучения (помеховых станций) многоточечной системы и обнаруживаемого РЭС на местности и дать рекомендации по количеству источников излучения, причем моделирование показало, что их целесообразно иметь не более трех.

Таким образом, в работе обоснована возможность ПССЦ по колебаниям фазового фронта и предложены схемы технической реализации этого метода, которые могут быть положены в основу разработки средств ПССЦ.

Одновременно показано, что наиболее перспективными для защиты объектов от средств обнаружения по структуре фазового фронта являются многоточечные системы излучения.

Заключение

1. Бакулев П.А., Степин В.М. Методы и устройства селекции движущихся целей. -М.: Воениздат, 1972. 272 с.

2. Зубкович С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности. М.: Сов. радио, 1968. - 224 с.

3. Тихонов В.И. Статистическая теория радиотехнических устройств. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1965.-462 с.

4. Рыжик И.М., Градштейн И.С. Таблица интегралов, сумм, рядов и произведений. -4-е изд. -М.: Наука, 1971.- 1108 с.

5. Шитов И.В. Флюктуации фазового фронта сигнала, отраженного от протяженной цели. Вопросы радиоэлектроники. 1964. - сер. XII - № 34.

6. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1982. -392 с.

7. Леонов А.И., Фомичев К.И. Моноимпульсная радиолокация. -М.: Сов. радио, 1984.-312 с.

8. Введенский В.Л. Оценка эффективности помех при многоточечной структуре систем маскировки. Межвуз. сб. научн. тр. МИРЭА. М.: МИРЭА, 2006.

9. Введенский В.Л. Ошибки пеленгования при многоточечной структуре систем маскировки. Межвуз. сб. научн. тр. МИРЭА. М.: МИРЭА, 2006.

10. Введенский В.Л., Мартьянов B.C. Определение фазового фронта суммарного сигнала, отраженного от распределенной и точечной цели // Наукоемкие технологии. 2005. - №7.

11. Фирсанов A.A., Несков A.B. и др. Характеристики обнаружения сигналов цели, флуктуирующих по Сверлингу, при сверхразрешении // Радиоэлектроника ВУЗов. 1988. - т.31 №4.

12. Богородский В.В., Канарейкин Д.Б., Козлов А.И. Поляризация рассеянного и собственного радиоизлучения покровов. JL: Гидрометеоиздат. 1981. — 520 с.

13. Мельник Ю.А., Зубкович С.Г. и др. Радиолокационные методы исследования Земли. -М.: Сов. радио, 1980.-485 с.

14. Ширман Я.Д., Голиков В.Н. и др. Теоретические основы радиолокации. -М.: Сов. радио, 1970. 560 с.

15. Информационный бюллетень по обмену опытом РЭБ. М.: Воениздат, 1989.

16. Перспективы развития средств РЭБ // Экспресс-информация ВИНИТИ // Авиастроение. 1993. - №33. - с. 21-23.

17. Цветков В.В., Демин В.П., Куприянов А.И. Радиоэлектронная борьба: радиомаскировка и помехозащита. М.: МАИ, 1999. - 239 с.

18. Демин В.П., Куприянов А.И., Сахаров A.B. Радиоэлектронная разведка и радиомаскировка. -М.: Изд-во МАИ, 1997. -251 с.

19. Палий А.И. Радиоэлектронная борьба. М.: Воениздат, 1989. - 350 с.

20. Введенский B.J1. Характеристики обнаружения движущихся объектов по структуре колебаний фазового фронта. // Наукоемкие технологии. 2007. -№ 10.-с. 68-75.

21. Защита от радиопомех / Под ред. М.В. Максимова; М.: Сов. радио, 1976. -496 с.

22. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы : Пер. с англ./ Под ред. B.C. Кельзона. -М.: Сов. радио, 1971. 566 с.

23. Вакин С.А., Шустов JI.H. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки.-М.: Сов. радио, 1968.-410 с.

24. Васин В.В., Власов О.В., Дудник П.И. и др. Радиолокационные устройства (теория и принципы построения)/Под ред. В.В. Григорина-Рябова. М.: Сов. радио, 1970. - 680 с.

25. Основы теории радиоэлектронной борьбы / Под ред. А.Ф. Николенко. -М.: Воениздат, 1987. 352 с.

26. Введенский В.Л. и др. Отчет по НИР «Дебют-Ц». М.: ЦНИИРЭС, 2002.

27. Введенский В.Л. и др. Отчет по НИР «Вид-КА». М.: ЦНИИРЭС, 2002.

28. Введенский В.Л. и др. Отчет по НИР «Аргентум-С». М.: ЦНИИРЭС, 2003.

29. Введенский В.Л. и др. Отчет по НИР «Вид-КЦ». М.: ЦНИИРЭС, 2003.

30. Введенский В.Л. и др. Отчет по НИР «Сканирование-А». М.: ЦНИИРЭС, 2004.

31. Введенский В.Л. и др. Отчет по НИР «Витраж-2». М.: ЦНИИРЭС, 2004.

32. Кремер И.Я., Кремер А.И., Петров В.М. и др. Пространственно-временная обработка сигналов / Под ред. И.Я. Кремера. М.: Радио и связь, 1984. -224 с.

33. Свистов В.М. Радиолокационные сигналы и их обработка. М.: Сов. радио, 1977.-440 с.

34. Теория обнаружения сигналов / Под ред. П.А. Бакута. М.: Радио и связь, 1984.-440 с.

35. Варганов М.Е., Зиновьев Ю.С., Астанин Л.Ю. и др. Радиолокационные характеристики летательных аппаратов / Под ред. Л.Т. Тучкова. М.: Радио и связь, 1985. -256 с.

36. Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. -М.: Радио и связь, 1986. 352 с.

37. Делано Р. Теория мерцания цели и угловые ошибки при радиолокационном сопровождении // Вопросы радиолокационной техники. 1974. - №1. -с. 108-119.

38. Зарубежное военное обозрение. 2004. - №3, 4, 7, 10. - 2005. - №1, 2, 5, 6. -2006.-№1,3, 6, 8.

39. Штагер Е.А., Чаевский Е.В. Рассеяние волн на телах сложной формы. -М.: Сов. радио, 1974. 240 с.

40. Sims R., Graf E. The reduction of radar glint by divercity techniques / IEEE Trans., 1971, v. AP-19, N4, p. 462-468.

41. Островитянов P.B., Басалов Ф.А. Статистическая теория радиолокации протяженных целей. -М.: Радио и связь, 1982. -232 с.

42. Линдсей Д. Угловое мерцание и движущаяся вращающаяся сложная радиолокационная цель // Зарубежная радиоэлектроника. 1968. - №12. - с. 42-57.

43. Островитянов Р.В. К вопросу об угловом шуме // Радиотехника и электроника. 1966. - т. 11. - №4. - с. 592-601.

44. Петере Л., Веймер Ф. Радиолокационное сопровождение сложных целей // Зарубежная радиоэлектроника. 1975. - №7. - с. 17-44.

45. Андреев Ф.М., Богданов Г.Ф. О статистике ошибок пеленга, вызванных мешающими отражениями // Радиотехника и электроника. 1973. - т. 18. -№9.-с. 1960-1963.

46. Басалов Ф.А. Совместные статистические характеристики амплитуды сигнала, углового и дальномерного шумов // Радиотехника и электроника. 1976. - т. 21. - №11. - с. 2418-2420.

47. Губонин Н.С. Флюктуации фазового фронта волны, отраженной от сложной цели // Радиотехника и электроника. 1965. - т. 11. - №5. - с. 844-852.

48. Басалов Ф.А., Островитянов Р.В. О влиянии поляризации сигнала на характеристики дальномерного шума сложной цели // Радиотехника и электроника. 1973. - т. 18. - №4. - с. 866-867.

49. Солоненко В.Г. Статистические характеристики пеленга совокупности точечных излучателей // Известия вузов СССР. Радиоэлектроника. 1968. -Т.П.-№10.-с. 1053-1058.

50. Beckmann P. The depolarization of electromagnetic waves. Bolder, Colorado: The Golem Press, 1968.-214 p.

51. Brown W.M., Porcello L.J. An introduction to synthetic aperture radar. IEEE Spectrum, 1969, v.6, № 9, p. 52-62.

52. Berni A.I. Target identification by natural resonance estimation. IEEE Trans., 1975, v. AES-11, № 2, p.147-154.

53. Chuang C.W., Moffatt D.L. Natural resonances of radar targets via Prony's method and target discrimination. IEEE Trans., 1976, v. AES-12, № 5, p.583-589.

54. Chen C.C., Andrews C. Target-motion-induced radar imaging. IEEE Trans., 1980, v.AES-16, № 1, p. 2-14.

55. Copeland J.R. Radar, target classification by polarization properties. Proc. IRE, 1960, v. 48 № 7, p. 1290-1296.

56. Delano R.H. A theory of target glint or angular scintillation in radar tracking. -Proc. IRE, 1953, v. 41, № 12, p. 1778-1784.

57. Graves C.D. Radar polarization power scattering matrix. Proc. IRE, 1956, v. 44, № 2, p.248-252.

58. Graf G. On the evaluation of Doppler spectra for radar cross section analysis and target recognition. In: Atmospheric effects on radar target identification and imaging. - Proc. Adv. Study Inst., 1975, p.219-238.

59. Graf G. Microwave imaging with a resolution of few wavelengths, Optica Acta, 1982, v. 29, № 4, p.377-381.

60. Graf G. On the optimization of the aspect angle windows for the Doppler analysis of the radar return of rotating target. IEEE Trans., 1976, v. AP-24, № 3, p. 378-381.

61. Gniss H., Magura K. Microwave imaging of rotation objects with narrowband signals. 6lh Eur. Microwave Conf./ Microwave 76', Rome, 1976, Sevenoaks, 1976; p.81-85.

62. Hoynen I.R. Phenomenological theory of targets. Rotterdam, 1970. - 219 p.

63. Keller J.B. Geometrical theory of diffraction. J. Opt. Soc. Am., 1962, v. 52 №2, p. 116-130.

64. Kelly E.I., Wishner R.P. Matched-filter theory for high-velocity, accelerating target. IEEE Trans., 1965, v. MIL-9, № 1, p.56-69.

65. Methods of radar cross section analysis / Ed. By I.W. Crispin Jr. and Siegel K.M. - New York, London: Acad. Press, 1968. - 426 p.

66. Moffat D.L., Mains R.K. Detection and discrimination of radar targets. IEEE Trans., 1975, v. AP-23, № 3, p. 358-367.

67. Moffat D.L. Ramp respons radar imagery spectral content. IEEE Trans., 1981, v. AP-29, № 2, p. 400-401.

68. Mittra R. Integral equation methods for transient scattering. In: Transient electromagnetic fields / Ed. by J.B. Felsen. N.Y.: Springer-Verlag, 1976, p.73-128.

69. Muchmore R.B. Aircraft scintillation spectra. IEEE Trans., 1960, v. AP-8, № 2, p.201-212.

70. Moll I.W. On radar echo from aircraft. IEEE Trans., 1967, v. AES-3, № 3, p.574-577.

71. Ormsby J.F.A., Tomljanovich N.M., Ostrowsky H.S., Weiss M.R. Analytic coherent radar techniques for target mapping. IEEE Trans., 1970, v. AES-6, № 3, p.295-304.

72. Peters L.Jr., Meimer F.C. Tracking radars for complex target. Proc. IEE, 1963, v. 110, № 12, p.2149-2162.

73. Ruck G.T., Barrick D.E., Stuart W.D., Krichbaum C.K. Radar cross section handbook. V. 1-2, N.Y.: Plenum Press, 1970, 937 p .

74. Ross R.A. Scattering by a finite cylinder. Proc. IEE, 1967, v. 114, № 7, p. 864-868.

75. Ross R.A., Bechtel M.E. Scattering center theory and radar glint analysis. -IEEE Trans., 1968. v. AES-4, № 5, p. 756-762.

76. Shubert K.A., Young J.D., Moffañ D.L. Synthetic radar imagery.- IEEE Trans, 1977, v.AP-25, № 4, p.474-483.

77. Smitkova E. Modelovany elektromagnetickych soustav a jeho zakony. -Slaboproudy obzor, 1976, v.37, № 9, p.424-428.

78. Тихонов A.H, Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. Изд. 2-е-М, Наука. 1979. -288 с.

79. Тейлор Р. Моноимпульсная система сопровождения спутников, использующих поляризационно разнесенный прием: Обзор.- Зарубежная электроника. 1968. - №2. - с. 3-29.

80. Уфимцев П.Я. Метод краевых волн в физической теории дифракции. -М.: Сов. радио. 1962. - 234 с.

81. Уфимцев П.Я. Замечания к статье «Сравнение трех методов, применяемых в высокочастотной теории дифракции». ТИИЭР. - 1975. - №12. - с. 115-118.

82. Уфимцев П.Я. Геометрическая теория дифракции как асимптотическая форма метода краевых волн. Теория дифракции и распространения волн.: Тезисы докл. 7-й Всес. симп. по дифракции и распространению волн. - т. 1. - М.: АН СССР, 1977. с. 54-57.

83. Френке JI. Теория сигналов. М.: Сов. радио. 1974. - 343 с.

84. Форсайт Дж., Маккольм М, Моулер К. Машинные методы математических вычислений. -М.: Мир, 1980. 212 с.

85. Флейшман Б.С. Основы системологии. М.: Радио и связь, 1982. - 368 с.

86. Формен Д.Е, Седайвек Д.Ф. Экспериментальное наблюдение явления ползущих волн при обратном рассеянии с помощью PJIC, работающей на коротких импульсах. ТИИЭР, - 1965. - т. 53. - №8. - с. 1252-1254.

87. Фрич П., Харт Ф. Новый метод измерения малых эффективных отражающих поверхностей с помощью цифрового вычитания векторов поля // ТИИЭР, 1964. -т.52, №5, с. 671-672.

88. Хойнен Дж. Р. Измерение матрицы рассеяния цели // ТИИЭР, 1965. -т.53, №8, с.1074-1085.

89. Хургин Я.И., Яковлев В.П. Финитные функции в физике и технике. М.: Наука, 1971.-408 с.

90. Хармут X. Теория секвентного анализа. М.: Мир, 1980. - 574 с.

91. Ширман Я.Д. Разрешение и сжатие сигналов. М.: Сов. радио, 1974. -360 с.

92. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. М.: Энергия, 1974.-320 с.

93. Введенский B.J1. Кодирование сообщений в системах электрической связи. М.: МИРЭА, 2004. 104 с.

94. Введенский B.JI. Статистические характеристики фазового фронта отраженного сигнала при наличии движущегося объекта. Доклад на 55-й научно-технической конференции МИРЭА. Москва, 2006.

95. Введенский B.JI. Характеристики обнаружения при пространственно-скоростной селекции воздушных целей. Тезисы доклада на 56-й научно-технической конференции, посвященной 60-летию МИРЭА. Москва, 2007.

96. Введенский В.Л., Мартьянов B.C. Многоточечная система активной радиотехнической маскировки. Доклад на Юбилейной научно-технической конференции ЦНИИРЭС. Москва, 2001.

97. Введенский В.Л., Мартьянов B.C. Ошибки пеленгации фазовым методом при многоточечной структуре помеховых сигналов. Доклад на Юбилейной научно-технической конференции ЦНИИРЭС. Москва, 2006.