Технические науки/6. Электротехника и
радиоэлектроника
К.т.н. Силаев Н.В., д.т.н. Митрофанов Д.Г.,
к.т.н. Бортовик В.В.
Общество с
ограниченной ответственностью "Смоленский
научно-инновационный центр
радиоэлектронных систем "ЗАВАНТ", Россия
ОЦЕНКА СОХРАНЯЕМОСТИ
СТРУКТУРЫ ДОПЛЕРОВСКИХ
ПОРТРЕТОВ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ
ЧАСТОТЫ ЗОНДИРОВАНИЯ
Среди перспективных методов расширения информационных возможностей импульсных радиолокационных станций (РЛС) особое место занимают методы синтеза радиолокационных изображений (РЛИ). Мерность формируемых РЛИ чаще всего ограничивается двумя координатами [1], а в типовых одночастотных РЛС реализуемыми являются только одномерные РЛИ, т.е. доплеровские портреты (ДП). Способы их построения, как правило, опираются на принципы инверсного радиолокационного синтезирования апертуры (ИРСА). По структуре РЛИ и ДП можно различать ВО по отличиям их отражательных способностей, рассеивающих свойств по соответствующим координатам, в направлении которых достигается высокая разрешающая способность и формируются отклики от различных элементов конструкции ВО.
Закономерная зависимость структуры ДП от сложности ВО недавно была доказана аналитически и методом моделирования. Однако стабильность структуры ДП при вариациях условий локации, в том числе при изменении частоты излучения, экспериментально никогда не проверялась. Поэтому целью проводимых исследований являлась проверка индифферентности основных параметров структуры ДП, полученных двумя несовпадающими по частоте РЛС в интересах проверки устойчивости признаков классификации, извлекаемых из ДП. Под индифферентностью структуры ДП будем понимать отсутствие влияния на нее физических условий наблюдения ВО при различиях интерференционных картин отражений, возникающих на разных частотах зондирования.
Для наибольшей убедительности исследования проводились методом натурного эксперимента. При экспериментах использовались две РЛС, осуществлявшие сопровождение одного и того же ВО. Сигналы, отраженные ВО, принимались РЛС, раскладывались на квадратурные составляющие и подвергались синхронному преобразованию в цифровую форму с помощью четырехканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП), подключенного к ЭВМ. Два канала АЦП осуществляли оцифровку квадратур отраженного сигнала от каждой РЛС. В результате в запоминающем устройстве ЭВМ формировались две отражательные характеристики (ОХ) сопровождаемого ВО.
Алгоритм ИРСА предполагает
использование эффекта вращения продольной оси ВО, сонаправленной с вектором
скорости ВО, относительно линии визирования ВО [2]. Вращение продольной оси ВО
относительно линии визирования обусловлено двумя факторами. Во-первых,
относительное вращение происходит за счет поступательного движения центра масс
ВО, во-вторых, за счет рыскания планера ВО при его полете в турбулентной
атмосфере. Для построения ДП необходимо выбирать те участки ОХ, на которых направления вращения
продольной оси ВО за счет указанных выше факторов совпадают, либо одно из
вращений отсутствует. Для выявления интервалов вращения продольной оси ВО
относительно линии визирования с максимальной угловой скоростью wвр.max предлагается
использовать корреляционную функцию (КФ) ОХ. Эта функция характеризует изменение
степени соответствия между разнесенными по времени t интервалами данных установленной длительности из состава ОХ.
Чем выше wвр,
тем меньше соответствие и тем меньше значение коэффициента корреляции (КК). Для
построения КФ необходимо выбрать два параметра: длительность интервала анализа
(длину частной выборки) ОХ 
и временной интервал
между сравниваемыми интервалами 
. Эффективная реализация ИРСА возможна на интервалах
наблюдения ВО 0,3-1 с [3], который предлагается использовать в качестве 
. Участки ОХ длительностью 
являются аналогами
фрагментов диаграммы обратного вторичного излучения (ДОВИ) ВО, взятых в
некотором секторе углов. Под ДОВИ в данном случае понимается зависимость
эффективной площади рассеяния (ЭПР) от направления приема отраженного сигнала.
При этом ДОВИ описывает зависимость ЭПР ВО от ракурса его
наблюдения, а особенность ОХ заключается в том, что на участках 
изменения угла
наблюдения ВО в ОХ заменено изменением времени, а значение ЭПР – амплитудой отраженного
сигнала. Временной интервал 
предлагается выбирать
из условия 
, где 
– минимальный период
флюктуаций отраженного сигнала ВО сложной конфигурации. Согласно [4] ширина лепестков ДОВИ может быть оценена по формуле D
»l0/lэ, где l0 – длина волны
зондирующего сигнала, lэ – некоторый эквивалентный размер цели, тогда 
. Объект за время 
поворачивается на величину
лепестка ОХ минимальной ширины. В ходе экспериментальных исследований сопровождались
ВО А-319 и А-321, перемещающиеся со следующими параметрами: скорость от 700
до 800 м/с, высота от 9 000 до 10 500 м, дальности от 25 до 30 км, угол
визирования ВО составлял 90±10°.
Частота зондирующего сигнала составляла около 10 ГГц. РЛС располагались на
расстоянии 30 м друг от друга и поставляли информацию об уровнях квадратур
отраженного от ВО сигнала в режиме его сопровождения в течение 30 с. Разнос
частот зондирующих сигналов РЛС составлял величину порядка 100 МГц.
Экспериментально полученная ОХ представляет собой функцию, содержащую низкочастотную и высокочастотную составляющие (рис. 1).
Рис. 1. Отражательная характеристика самолета А-319
Низкочастотная модуляционная составляющая обусловлена интерференцией волн, отраженных от элементов планера ВО, высокочастотная – турбовинтовым эффектом. Для построения ДП проводилось сглаживание ОХ, в результате чего формировалась низкочастотная планерная ОХ, вариант которой изображен на рис. 2.
Рис. 2. Планерная отражательная характеристика самолета А-319
после компенсации турбовинтовой модуляции
Затем формировались КФ ОХ для каждой РЛС.
a б
Рис. 3. Корреляционные функции для участков ОХ самолета А-319 на
интервале 15 с (сплошной линией обозначена КФ ОХ ВО от первой РЛС,
линией с точками – КФ
ОХ ВО от второй РЛС: 
(а); 
(б)
Анализ полученных КФ (рис. 3) показывает, что в течение сопровождения ВО имеются интервалы поворотов ВО относительно линии визирования с повышенной угловой скоростью, которым соответствуют участки с низким КК, а также участки с высоким КК (близким к единице), где ВО практически не вращается. При этом наблюдается повторяемость законов изменения КК.
Отсутствие точного совпадения между двумя КФ связано с пространственным несовпадением мест размещения РЛС и различными законами блуждания эффективного центра сопровождения ВО, что требует дальнейшего аналитического и экспериментального изучения. По построенным КФ проведено изучение информативности ДП для участков с высоким и низким КК для временных интервалов с центрами в точках 0,15 с и 4,45 с и длительностью 0,3 с.
а) б)
Рис. 4. Доплеровские портреты самолета А-319, для временного интервала
от 0 до 0,3 с: а) для первой РЛС, б) для второй РЛС
а) б)
Рис. 5. Доплеровские портреты самолета А-319, для временного интервала
от 4,3 до 4,6 с: а) для первой РЛС; б) для второй РЛС
Анализ ДП (рис. 4, 5) показывает, что временным интервалам КФ с высоким значением КК (более 0,8) соответствуют ДП, основная часть спектральных составляющих которых сосредоточена в диапазоне частот ±25 Гц, а для интервалов с низкими значениями КК (менее 0,5) – в диапазоне частот ±50 Гц. При этом ДП на рис. 5 более детально характеризуют распределение рассеивающих свойств ВО по координате, перпендикулярной линии визирования.
Для сравнения степени индифферентности структуры ДП, полученных на разной частоте, последовательно рассчитывался КК между ДП, полученными по сигналам разных РЛС в одинаковые моменты времени (рис. 6), и строилась корреляционная характеристика. Вариант такой характеристики, соответствующей отражениям от ВО типа А-319, изображен на рис. 6. Незначительное снижение КК ДП лайнера А-319 до 0,829 в промежутке от 2 до 4 с относительно начала наблюдения можно объяснить вхождением ВО в область турбулентности и усложнением характера вращения планера ВО относительно линии визирования.
Рис. 6. Корреляционная характеристика ДП самолета А-319
Полученные результаты показывают, что коэффициенты корреляции ДП находятся в пределах от 0,829 до 0,975 для самолета А-319 и от 0,788 до 0,978 для самолета А-321, что позволяет сделать вывод о высокой степени совпадения структуры ДП крупноразмерных ВО на углах визирования 90±10°. Поскольку в соответствии с физической сущностью ИРСА [5,6] на боковых ракурсах ДП должны иметь наиболее богатую структуру, КК на иных углах наблюдения должны иметь более высокие значения, что было проверено дополнительно. Наиболее важным результатом проведенных натурных экспериментов было признано подтверждение (доказательство) относительной стабильности векторов ДП, сформированных на разных несущих частотах в пределах квазиоптической области рассеяния радиоволн. Вторичные признаки идентификации в сравниваемых синхронных ДП являются схожими, что соответствует теоретическим представлениям и физической сущности используемых преобразований. Экспериментальные исследования выполнены при финансовой поддержке администрации Смоленской области и РФФИ в рамках гранта № 13-07-97505.
Литература
1. Митрофанов Д. Г. Комплексный адаптивный метод построения радиолокационных изображений в системах управления двойного назначения // Теория и системы управления. Известия РАН. 2006. № 1-2. С. 101-118.
2. Митрофанов Д.Г. Изучение характера изменения доплеровского портрета летательного аппарата экспериментальным методом. Воронеж. Сборник докладов XX международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь». RLNC-2014. 2014. Том 3. С. 1785-1798.
3. Стайнберг Б. Д. Формирование радиолокационного изображения самолета в диапазоне СВЧ // ТИИЭР. 1988. №12.
4. Теоретические основы радиолокации / Под ред. Я. Д. Ширмана. М., Сов. радио, 1970. 560 с.
5. Патент РФ № 2439611.
Радиолокационная станция с поимпульсной перестройкой несущей частоты,
нейросетевым распознаванием объектов и инверсным синтезированием апертуры
антенны. Митрофанов Д.Г. Опубл. 10.01.2012. БИ № 1.
6. Митрофанов Д.Г. Построение двумерного изображения объекта с использованием многочастотного зондирующего сигнала// Измерительная техника, 2001. № 2. С. 57-62.