Технические науки/6. Электротехника и
радиоэлектроника
Д.т.н. Митрофанов Д.Г., к.т.н. Силаев Н.В.
Общество с ограниченной
ответственностью "Смоленский
научно-инновационный центр
радиоэлектронных систем "ЗАВАНТ", Россия
ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И
ИНФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДОПЛЕРОВСКИХ ПОРТРЕТОВ ВОЗДУШНЫХ ОБЪЕКТОВ
Основными задачами, решаемыми современными РЛС, являются обнаружение воздушных целей и измерение их координат. В настоящее время развитие элементной базы, методов генерирования и обработки радиолокационных сигналов позволило значительно повысить технические характеристики РЛС. В результате разрешающие способности по дальности и угловым координатам стали соизмеримы с геометрическими размерами воздушных объектов (ВО), появилась возможность оценивать распределение рассевающих свойств ВО по одной или нескольким координатам, а при использовании специальных алгоритмов обработки формировать их радиолокационные изображения (РЛИ) [1-5]. В РЛС с узкополосными сигналами основным типом РЛИ являются доплеровские портреты (ДП), позволяющие определять взаимное расположение рассеивающих центров (РЦ) поверхности ВО в направлении перпендикулярном линии визирования. Расположение спектральных откликов ДП на оси частот зависит от множества факторов (например, от дальности до ВО, его угловых координат, скорости движения и т.д.).
Целью работы являлось статистическое исследование структуры ДП в интересах проверки степени зависимости их идентификационных возможностей от частоты зондирования.
Исследования проводились методом натурного эксперимента. К экспериментам привлекались две РЛС, осуществлявшие сопровождение одного и того же ВО. Сигналы, отраженные ВО, раскладывались на квадратурные составляющие и подвергались синхронному переводу в цифровую форму с помощью четырехканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП). В результате в запоминающем устройстве цифровой вычислительной машины формировались две отражательные характеристики (ОХ) одного ВО [6].
В ходе экспериментальных исследований сопровождались самолеты А-319 и А-321, двигавшиеся со следующими параметрами: скорость от 700 до 800 м/с, высота от 9000 до 10500 м, на дальностях от 25 до 30 км, угол визирования ВО составлял 90±10°. Частота зондирующего сигнала составляла около 10 ГГц. РЛС располагались на радиотехнической позиции расстоянии 30 м друг от друга и обеспечивали цифровую запись квадратур отраженного от ВО сигнала в режиме его сопровождения в течение 30 с. Разнос частот зондирующих сигналов РЛС оценивался величиной порядка 100 МГц. Экспериментально сформированная ОХ представляла собой функцию, содержащую низкочастотную и высокочастотную модуляционные квадратурные составляющие (рис. 1).
Рисунок 1 - Огибающая отражательной характеристики самолета А-319
Низкочастотная модуляционная составляющая, как правило, всецело определяется интерференцией волн, отраженных от конструктивных элементов планера ВО, а высокочастотная – проявлением турбовинтового эффекта (ТВЭ) [7]. Для построения ДП проводилось сглаживание ОХ. В результате формировалась низкочастотная планерная ОХ, представленная на рисунке 2.
Рисунок 2 - Планерная отражательная характеристика самолета А-319
после компенсации турбовинтовой модуляции
Для получения ДП из ОХ выделялись частные выборки данных (ЧВД) длительностью 0,3 с, причем две соседние ЧВД были сдвинуты друг относительно друга на 0,02 мкс (рис. 3). Частота дискретизации АЦП составляла 1,25 МГц. Таким образом, формировалось около 1500 ДП, которые использовались для набора статистики по количеству разрешаемых спектральных откликов от РЦ поверхности ВО.
Рис. 3. Разбиение интервала накопления данных на частные выборки данных
Для получения ДП каждая ЧВД подвергалась быстрому преобразованию Фурье (БПФ). Для примера на рисунках 4, 5 показаны ДП для различных ЧВД.
а б
Рисунок 4 - Доплеровские портреты самолета А-319 для временного интервала от 0 до 0,3 с: а - по данным первой РЛС; б - по данным второй РЛС
а б
Рисунок 5 - Доплеровские портреты самолета А-319 для временного интервала от 4,3 до 4,6 с: а - по данным первой РЛС; б - по данным второй РЛС
Разная ширина ДП и количество откликов от РЦ в ДП обусловлены различной угловой скоростью поворота планера ВО относительно линии визирования при полете ВО в турбулентной атмосфере [4,8].
Для подсчета числа откликов в ДП использовалась следующая методика:
всем доплеровским портретам устанавливался единый нижний порог ограничения по амплитуде для устранения влияния шумовых составляющих;
функция огибающей полученного ДП дифференцировалась;
производился подсчет количества точек Z пересечения производной от огибающей ДП с осью абсцисс;
формировались ряды распределения количества Z откликов в ДП.
В таблице 1 представлены ряды распределения, а на рис. 6 гистограммы распределения числа откликов в ДП самолета А-319 при ограничении нормированного ДП снизу на уровне h=0,1. Анализ показывает, что максимальное несоответствие dp частот появления ДП с одинаковым количеством откликов составило dp=0,045, причем максимальная частота соответствует ситуации формирования ДП с 6-ю откликами, которых получено около 20 % от общего числа.
Таблица 1
|
Количество откликов от РЦ в доплеровском портрете |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 и более |
|
|
Вероятность появления ДП с
заданным количеством
откликов |
для 1-й РЛС |
0.015 |
0.055 |
0.107 |
0.143 |
0.168 |
0.202 |
0.181 |
0.13 |
|
для 2-й РЛС |
0.015 |
0.039 |
0.13 |
0.177 |
0.213 |
0.199 |
0.083 |
0.144 |
|
а б
Рисунок 6 - Гистограммы распределения количества откликов Z от РЦ в ДП
самолета А-319 при ограничении нормированного ДП снизу на уровне 0,1:
а - по данным первой РЛС; б - по данным второй РЛС
В таблице 2 представлены ряды, а на рис. 7 гистограммы распределения количества откликов Z от РЦ в ДП самолета А-319 при ограничении нормированного ДП снизу по уровню h=0,15. Максимальный разброс значений вероятности соответствует появлению ДП с 2-мя откликами и составляет 5,4 %. Максимальное же количество составили ДП с 3-мя РЦ (23,5-27 %).
Таблица 2
|
Количество откликов от РЦ в доплеровском портрете |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 и более |
|
|
Вероятность появления ДП с
заданным количеством
откликов |
для 1-й РЛС |
0.162 |
0.147 |
0.235 |
0.15 |
0.141 |
0.084 |
0.054 |
0.027 |
|
для 2-й РЛС |
0.171 |
0.201 |
0.27 |
0.185 |
0.11 |
0.042 |
0.012 |
0.01 |
|
а б
Рисунок 7 - Гистограммы распределения количества откликов Z от РЦ в ДП
самолета А-319 при ограничении нормированного ДП снизу на уровне 0,15
а - по данным первой РЛС; б - по данным второй РЛС
Аналогичные представленным выше результаты, но для случая ограничения на уровне h=0,2 показаны в таблице 3 и на рис. 8. При таком пороге ограничения наиболее часто появляются ДП с одним откликом (50,5-56,5 %).
Таблица 3
|
Количество рассеивающих центров
доплеровского портрета |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 и более |
|
|
Вероятность
появления ДП с заданным количеством РЦ |
для 1-й РЛС |
0.505 |
0.128 |
0.167 |
0.079 |
0.061 |
0.027 |
0.024 |
0.01 |
|
для 2-й РЛС |
0.565 |
0.183 |
0.176 |
0.043 |
0.021 |
0.007 |
0.004 |
0.001 |
|
а б
Рис. 8. Гистограммы распределения числа откликов Z в ДП самолета А-319
при ограничении снизу на уровне 0,2: а - для первой РЛС, б - для второй РЛС
При использовании уровня ограничения нормированного ДП снизу равного h=0,125 математическое ожидание числа спектральных откликов в ДП оказалось равным 4 (19-21,6 %).
Таким образом, проведенные исследования показали, что РЛС с разными несущими частотами на одинаковых ракурсах локации формируют ОХ, из которых синтезируются совпадающие по количеству откликов ДП ВО. Все отклики в ДП, как правило, входят в диапазон вторичных доплеровских частот ±50 Гц. Использование ограничение снизу на различном уровне приводит к изменению математического ожидания числа откликов в составе ДП. Однако их среднестатистическое число в ДП, сформированных по данным РЛС с разными частотами, остается стабильным. Это обеспечивает возможность применения ДП для идентификации ВО по его внутренней структуре [8]. При этом уровень ограничения снизу должен уступать величине 0,2 при предварительном сглаживании ОХ и компенсации ТВЭ. Гипотеза о независимости основных компонентов структуры ДП от частоты зондирования подтвердилась. Исследования выполнены в рамках гранта РФФИ № 13-07-97505.
Литература
1. Радиолокационные характеристики летательных
аппаратов / Под ред. Л.Т. Тучкова. М., Радио и связь, 1985. - 236 с.
2. Митрофанов Д. Г. Методика экспериментального
синтеза двумерных радиолокационных изображений. Киев: Радиоэлектроника.
Известия вузов, 1996. Т. 39. № 1. С. 71-75.
3. Митрофанов Д. Г. Влияние амплитудного и фазового шума на качество
формирования радиолокационного изображения // Радиотехника и электроника, 1995.
Т. 40. № 4. С. 586-590.
4. Митрофанов Д. Г. Комплексный адаптивный метод построения радиолокационных изображений в системах управления двойного
назначения // Известия РАН. Теория и системы управления, 2006. № 1. С. 101–118.
5. Патент РФ № 2066059. МПК8 G01S 13/89. Способ построения
двумерного радиолокационного изображения в РЛС сопровождения прямолинейно движущейся
цели / Митрофанов Д.Г. БИ № 24. 1996.
6. Митрофанов Д.Г. Изучение
характера изменения доплеровского портрета летательного аппарата
экспериментальным методом // XX международная
научно-техническая конференция. Радиолокация, навигация, связь. RLNC-2014. Воронеж: НПФ «САКВОЕЕ», 2014. Том 3. С.
1785–1798.
7. Митрофанов Д.Г. Формирование радиолокационных изображений при
негативном влиянии турбовинтовой модуляции
// Измерительная техника, 2005. № 7. С. 60-64.
8.
Митрофанов Д.Г., Прохоркин А.Г., Нефедов С.И. Измерение габаритов летательных
аппаратов в условиях турбулентности на основе инверсного синтезирования апертуры
// Измерительная техника, 2008. № 8. С. 24-28.