Бистатическая радиолокационная система противовоздушной мины

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

ЩЕРБАКОВ Григорий Николаевич, профессор, доктор технических наук ШЛЫКОВ Юрий Александрович, кандидат технических наук НИКОЛАЕВ Алексей Владимирович, доцент, кандидат технических наук БРОВИН Андрей Валерьевич, кандидат технических наук
БИСТАТИЧЕСКАЯ РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА ПРОТИВОВОЗДУШНОЙ МИНЫ
Средства поражения пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов (ПЛА и БЛА) достаточно разнообразны. Они используются в зенитно-ракетных подразделениях войсковой и объектовой ПВО, а также в ВВС. В ранее опубликованной статье [1], посвященной защите важных наземных объектов (их перечень определен распоряжением Правительства Р Ф от 27 августа 2005 года № 1314-Р.) от воздушного терроризма, впервые авторами в дополнение к имеющимся средствам борьбы вводится термин «противовоздушная мина». Появление данного термина связано с повышением вероятности угроз терроризма с воздуха от низколетящих летательных аппаратов (БЛА, мини-вертолетов, мотодельтапланов), осуществляющих свой полет на малых и предельно-малых высотах. Противодействие таким целям имеющимися средствами поражения затруднено из-за влияния неоднородностей подстилающей поверхности [2, 3]. Решение данной проблемы возможно за счет использования управляемых осколочных мин направленного поражения и радиолокационных датчиков целей (ДЦ) путем установления их в грунт с точкой прицеливания, обеспечивающей согласование области разлета осколков и диаграммы направленности антенны ДЦ.
На первом этапе создания противоздушной мины есть принципиальная возможность использования противо-
пехотных осколочных мин направленного поражения типа МОН-50, -90 и др. (рис. 1). Эти мины предназначены для выведения из строя личного состава за счет поражения его при взрыве мины готовыми убойными элементами. Их тактико-технические характеристики представлены в табл. 1 [4]. Возможность их использования обусловлена тем, что в нашем случае цели не бронированные, они могут быть поражены металлическими осколками, имеющимися в противопехотных минах. В перспективе не исключена возможность создания специальной осколочной боевой части мины направленного действия, обеспечивающей надежное поражение низколетящих целей, в том числе и крылатых ракет.
Решение задачи уничтожения БЛА, дельтапланов и других единиц маломерной низкоскоростной авиации, представляющих реальную угрозу важному наземному объекту, возможно путем создания радиолокационной системы наведения на цель управляемой осколочной мины (СНОУМ), которую авторы назвали «противовоздушной миной». В состав такой системы должны входить следующие функциональные элементы: передатчик первичного электромагнитного поля (ППЭМП), радиолокационный ДЦ, средство поражения (управляемая осколочная мина) и устройство управления подрывом его боевой
Рис. 1. Внешний вид мины МОН-56 и зоны разлета ее осколков
Таблица 1. Тактико-технические характеристики управляемых противопехотных мин направленного поражения отечественного производства
Тип мины Масса, кг Масса взрывчатого вещества, кг Количество убойных элементов, шт. Сектор поражения Примечание
МОН-50 2,0 0,7 1025 на 50 м — 45×8 м имеется возможность установки сектора поражения в вертикальное положение
МОН-90 12,1 6,2 2000 на 90 м — 60×15 м
МОН-100 5 2 400 на 100 м — 6,5×9,5 м
МОН-200 25 12 900 на 200 м — 10,9×14,5 м
3 2
Рис. 2. Функциональная схема системы наведения управляемой осколочной мины на воздушную цель (вариант): 1 — передатчик первичного электромагнитного поля- 2 — радиолокационный датчик цели- 3 — устройство управления подрывом боевой части- 4 — осколочная мина направленного действия
части (БЧ) (рис. 2). Принцип работы заключается в регистрации датчиком цели изменения первичного электромагнитного поля (ЭМП) за счет его рассеяния на динамическом объекте сложной формы.
Суть идей, предложенных авторами при создании противовоздушной мины, представлена на рис. 3 и пояснена ниже. Для реализации системы наведения мины на цель целесообразно использовать три типа каналов: радиолока-
ционные основной и опорный, а также акустический. Основной и опорный радиолокационные каналы позволяют выделить сигнал шъ от движущегося воздушного объекта (в основе лежит эффект Доплера-Белопольского) и произвести анализ спектральных составляющих на наличие или отсутствие вторичной модуляции радиолокационного сигнала вращающимися элементами конструкций двигательной установки летательного аппарата [5]. Последнее позволяет решить задачу радиолокационного распознавания динамического объекта в поле зрения ДЦ (то есть отличить летательный аппарат от птицы или их стай). Акустический — является дежурным каналом и позволяет заранее распознать шум мотора воздушной цели на фоне других помеховых воздействий, выдать сигнал «Тревога» и включить радиолокационный ДЦ [6]. Для повышения имитостойкости можно использовать двухчастотный передатчик первичного поля ш1, ш2 и двухканальный ДЦ со схемой совпадения. Для повышения скрытности работы возможно использование диапазона частот сотовой связи, радио- или телевещания, а также бытовых СВЧ-печей. Кроме того, для увеличения вероятности поражения можно использовать несколько различных типов осколочных мин направленного действия, обеспечивающих перекрытие всей зоны поражения охраняемого объекта и необходимое сосредоточение осколков боевой части противовоздушной мины.
Использование только одного передающего устройства, создающего стабильное зондирующее СВЧ ЭМП вокруг защищаемого объекта, позволяет использовать пассивный, а не активный ДЦ у каждой мины или группы мин. Это резко
Рис. 3. Вариант построения противовоздушной мины:
Ь1 — момент обнаружения цели-
Ь2 — момент попадания цели в «поле зрения» датчика-
1 — передатчик первичного ЭМП-
2 — радиолокационный датчик цели-
3 — антенна основного канала-
4 — антенна опорного канала-
5 — акустический датчик-
6 — анализатор спектра-
7 — устройство принятия решения (вкл. «Тревога») —
8 — радиолокационная цель с вращающимися элементами конструкции двигательной установки- 8'- - то же в момент нахождения в «поле зрения» датчика- 9 — средство поражения- 10 — устройство защиты от осколков- пунктиром показаны направления разлета осколков
снижает энергопотребление радиолокационного ДЦ противовоздушной мины. Соответственно время непрерывного функционирования мин без замены источника питания значительно возрастает. Кроме того, бистатический режим работы радиолокационного ДЦ упрощает решение вопроса электромагнитной совместимости источника и приемника СВЧ ЭМП, так как они разнесены в пространстве. Увеличивается функциональная надежность всего устройства, поскольку автономное передающее СВЧ-устройство в полевых условиях менее надежно, чем приемное. А в нашем случае стационарное защищенное передающее устройство только одно — для группы мин, расположенных на местности.
В основу физической модели предложенного бистати-ческого радиолокатора (БРЛ) СНУОМ положен процесс преобразования первичного сверхвысокочастотного немо-дулированного ЭМП, создаваемого передатчиком, вследствие его распространения на трассе передатчик — цель -ДЦ, то есть в радиолокационном канале (рис. 4). Очевидно, что СВЧ-поле, создаваемое ППЭМП, будет претерпевать изменения не только вследствие динамики летательного аппарата, но и из-за состояния окружающего фона. Поэтому для решения задачи рассеяния электромагнитного СВЧ-поля в модели необходим учет потерь в маскирующем слое, переотражений и взаимных затенений поверхности грунта и элементов цели. Это значительно усложняет процесс аналитического описания преобразований первичного ЭМП во вторичное. Однако такой подход позволяет получить полную физико-математическую модель сигнала (оператор А), отраженного от низколетящего летательного аппарата. Таким образом, физическую модель БРЛ СНУОМ
можно описать операторами, учитывающими первичное ЭМП (И), ослабление радиосигнала на трассе распространения (Мтрасс), переотражение от подстилающей поверхности (Рзем), радиолокационную цель (5) и маскирующий слой (М^):
А = Р (И, Мтрасс, Рзе", Я, Миаск). (1)
Иными словами, модель БРЛ представляет собой функциональную зависимость Р, аргументами которой являются: первичное СВЧ-поле, переотражение и рассеяние его от земли и радиолокационной цели с учетом потерь сигнала на трассе ППЭМП — ДЦ и в маскирующем слое.
Аналитическое описание первичного электромагнитного поля, его переотражения от земли с учетом потерь в маскирующем слое не вызывают вопросов и достаточно хорошо представлены в списке литературы данной статьи. Однако математическое описание процесса рассеяния СВЧ-по-ля на реальных объектах затруднено. Формальные попытки непосредственного применения фундаментальных методов электродинамики к решению задач рассеяния радиоволн на реальных объектах локации, имеющих сложную электрофизическую структуру и пространственную конфигурацию, не только не эффективны, но и практически не разрешимы на супер-ЭВМ. Поэтому магистральным направлением исследований радиофизики и радиолокации является разработка эффективных и универсальных расчетных методов анализа полей рассеяния объектов локации самого широкого класса [7]. Наиболее широко классификация приближенных методов анализа СВЧ-полей, рассеян-
ных на сложных радиолокационных объектах представлена в [2, 5, 7, 8].
Прежде чем рассматривать процессы преобразований первичного ЭМП, остановимся на энергетических характеристиках принимаемого радиолокационным ДЦ СВЧ-по-ля. Принимаем, что радиолокационная цель и поверхность земли являются изотропными излучателями. То есть они излучают радиоволны во всех направлениях равномерно. Считаем, что параметры среды распространения и маскирующего слоя известны (р — волновое сопротивление свободного пространства, 5 — удельная электрическая проводимость, (Омхм)-1- е — электрическая проницаемость, фхм-1- ц — магнитная проницаемость, Гнхм-1) — поверхность земли представляет собой идеальную гладкую поверхность с постоянными параметрами (то есть неоднородности отсутствуют) — электромагнитное поле, формируемое передатчиком первичного электромагнитного поля, равномерное и без искажений по углу места 60° и по азимуту 360°- радиолокационная цель представляется в виде изотропного излучателя с фиксированной эффективной поверхностью рассеяния, на которой отсутствуют нелинейные элементы отражающей поверхности, обусловленные нелинейными свойствами границ разделов «металл — металл» и «металл — окисел — металл" — маскирующий слой — без неоднородностей- радиолокационный ДЦ установлен на поверхности земли в маскирующем слое. При этом постановка задачи может быть следующей. Пусть ППЭМП формирует монохроматический сигнал вида (И) [2]:
(2)
где Б0, а0, ф0 — соответственно амплитуда, циклическая частота и начальная фаза первичного ЭМП. Радиолокационный датчик с полосой пропускания Л{ и чувствительностью Ртпп = 10'-12 Вт, установлен на расстоянии г = 300… 1000 м от места установки антенны ППЭМП. Выбранная антенна передатчика (вариант) „двухспиральная“ горизонтальной поляризации с входным сопротивлением 50 Ом и коэффициентом направленного действия Спрд = 7,5 (рис. 4). Радиолокационная цель — это мотодельтаплан, мини-вертолет или БЛА с эффективной отражающая площадью ац = 10'-2…2 м2, осуществляющая свой полет на высотах кц = 10. 100 м. [8]. Выбор горизонтальной поляризации СВЧ-сигнала обусловлен характерной формой большинства воздушных целей, имеющих вытянутые в горизонтальной плоскости конструктивные элементы (консоли крыльев летательных аппаратов и лопасти вертолетного винта, элероны и рули и т. д.). Соответственно и интенсивность отраженного поля при горизонтальной поляризации будет наибольшей. Маскирующий слой — снег или густая растительность, глубина маскирующего слоя км = 0,5 м. Длина волны Л первичного ЭМП выбирается в зависимости от удельного затухания электромагнитной волны (ЭМВ) в маскирующем слое, диапазона частот, обеспечивающих скрытность работы ППЭМП, а также диапазона длин волн, в которых отражения радиоволн максимальны. Анализ работ [9, 10, 12] и др. показывает, что данным требованиям соответствует диапазон длин волн от 5 до 30 см. В данном диапазоне удельное затухание ЭМВ составляет 8… 20 дБ (рис. 5) [12] и наиболее ярко выра-
жена отражающая способность радиолокационных целей. При этих условиях определим мощность СВЧ-поля у радиолокационного ДЦ.
Первичное ЭМП наводит на поверхности облучаемого объекта токи смещения и проводимости [2], для нашего случая это радиолокационная цель и поверхность земли. Эти составляющие являются причиной зарождения локальных источников вторичного излучения. При этом плотность потока мощности ЭМП, создаваемого у цели (в дальнейшем при рассмотрении энергетических характеристик ЭМП обращаемся к рис. 6- по сути данный рисунок характеризует физическую модель бистатического радиолокационного ДЦ) в результате интерференции горизонтально поляризованных волн будет определяться выражением [11]:
Пц Ппад. пр. ц^Ппад.з, (3)
где Ппад. пр. ц — плотность потока мощности, создаваемой
у цели за счет прямой волны- Ппад. з — плотность потока мощности, создаваемой у цели за счет отраженной от земли волны.
Итак, основными упрощениями в данной модели рассматриваемого процесса, по сравнению с реальным процессом, были:
¦ изотропность бистатической эффективной поверхности рассеяния целей-
¦ идеально ровная поверхность раздела „воздух — грунт“ на трассе распространения СВЧ-поля-
¦ отсутствие неоднородностей маскирующего слоя растительности или снега-
¦ отсутствие организованных и неорганизованных внешних электромагнитных помех, влияющих на ДЦ. Плотность потока мощности, создаваемой у цели за счет
прямой волны от ненаправленной СВЧ-антенны, будет равномерно распределяться на поверхности сферы:
п,
пад. пр. ц
прд
4пВ-
(4)
где Рпрд — мощность передатчика первичного ЭМП, так как ЭМВ, падающая на объект локации, будет иметь плоский фронт. Данное утверждение строго обоснованно для нашего случая в силу выполнения условия дальней зоны:
ь & lt- ц 2
(5)
где Ьц — линейный размер цели- П1 — наклонная дальность до цели- Л — длина волны первичного ЭМП.
Плотность потока мощности, создаваемой у цели за счет отраженной от земли волны, будет определяться в зависимости от накрываемой площади поверхности земли диаграммой направленности антенны передатчика первичного ЭМП, поглощаемой доли энергии землей и поляризации ЭМВ. Методика определения подробно изложена в [11].
В общем случае коэффициенты, определяющие влияние грунта на процесс распространения поля, являются вели-
ИССЛЕДОВАНИЯ
Рис. 4. Диаграмма направленности „двухспиральной“ антенны ППЭМП в полярной и трехмерной пространственной системе координат (Е — вектор направленности электрического поля)
Г, дБ/м Ю
0,1

Г4
— -
— Трава Снег 1 1

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Длина волны, м
Рис. 5. Зависимость удельного поглощения электромагнитных волн маскирующим слоем от длины волны
Рис. 6. Физическая модель
бистатического радиолокатора системы наведения управляемой осколочной мины на цель: Н — магнитная составляющая ЭМП- Е — электрическая составляющая ЭМП- П — плотность потока мощности- Л1 и Л2 — диаграммы разностных каналов- Е — суммарная диаграмма разностных каналов- $ - угол преломления- ЛЯ -радиус полусферы накрываемой поверхности диаграммой первичного поля
чинами комплексными. Они имеют как модуль, так и аргумент, определяющий фазу принимаемого сигнала. Однако в нашем случае учет фазовых характеристик принимаемого сигнала затруднен. Это объясняется тем, что фазовые соотношения зависят от электрических параметров поверхности земли, которые могут быть различными в зависимости от состава грунта и его влажности [12]. Поэтому в дальнейшем там, где это специально не оговорено, будем использовать только модули всех комплексных величин, опуская в выражениях знак модуля.
В результате отражения и преломления (поглощения) прямой волны землей плотность потока мощности отраженной от нее волны условно можно определить выражением:
Потр.з Ппад. пр. з Ппогл,
(6)
к & lt- ^
гр
(7)
где ктр — высота неровности грунта- у — угол падения ЭМВ, — является равномерным и определяется выражением:
п,
под. пр. з '-
Р
прд
4п02
(8)
где П2 — наклонная дальность к поверхности грунта.
Тогда плотность потока мощности отраженной от поверхности земли ЭМВ находим через плотность потока падающей прямой волны:
п,
отрз 4п023
(9)
Пп
Р» од (Я — Я)
4пВ22Б2}
(10)
где В3 — наклонная дальность «земля — цель" — Я1 и Я2 — внешний и внутренний радиусы зоны накрытия поверх-
ности земли диаграммой направленности антенны передатчика первичного ЭМП (освещенной части).
В результате интерференции двух волн — падающей прямой и падающей переотраженной от земли — получим у цели суммарную плотность потока мощности у цели (3):
РПо
4п
02
2×0202
(11)
С учетом направленных свойств и нормированных диаграмм направленности передающей антенны Бпрд (е) и изотропной (поверхность земли), обусловленной влиянием земли Рзем (у) (рис. 7) [2]:
Кем (у) = 2
81П
2п
----к 81И у
I «
где Ппадпрз — падающая на землю плотность потока мощности первичного СВЧ-поля, ПпоГА — поглощаемая землей энергия.
Однако такая трактовка слишком идеализирована. На практике в результате отражения и преломления (поглощения) прямой волны землей плотность потока мощности отраженной от нее волны будет различной. Так, изменяя угол падения ЭМВ у можно добиваться явления ее полного отражения и поглощения (закон Брюстера). В последнем случае понимается такое преломление падающей волны, при котором появляется поверхностная волна, распространяющаяся вдоль границы раздела двух сред. Физика проявления таких явлений подробно изложена в [13, 14].
Без учета углов Брюстера поверхностное распределение падающей прямой волны на поверхности земли, в пределах диаграммы направленности антенны передатчика, при выполнении условия гладкой поверхности [2] -
получим:
/
П — Рпрд
ц 4п
2ч Л
КРд (Ец)Ощд +Км (у)-(Я! -№ 2)
02
2л2 023
(12)
(13)
Анализ выражения (12) и его графического представления показывает, что функция является многолепестковой, ее минимумы имеют периодической характер и соответствуют углам отражения кЛ^шу = пп, где к и и — волновое и целое число. С учетом этого результирующая диаграмма направленности передатчика первичного поля будет иметь также многолепестковый характер, отличный от диаграммы, представленной на рис. 4. Количество лепестков определяется как количество полуволн, укладывающихся в высоте антенны передатчика (рис. 8). Кроме того, проанализировав ее по энергетическому потенциалу (мощности) видно, что глубина провалов уменьшается с увеличением высоты подъема антенны. Поэтому оптимальной высотой для антенны ППЭМП при длине волны 12 см, является высота не ниже 10 м.
Рассеянное радиолокационной целью ЭМП равномерно распределяется в пространстве. Поэтому плотность потока мощности, в месте расположения приемной антенны датчика цели, будет определяться:
П ПЦ °цдц ^дц (0ц) ,
дц
(14)
4п02
где П4 — наклонная дальность до цели относительно радиолокационного датчика цели, Оц — значение нормированной диаграммы направленности на цель.
С учетом направленных свойств и канонической формы освещенной поверхности грунта первичным ЭМП плотность потока мощности отраженной волны у радиолокационной цели будет определяться:
ІХІ0−3
0,01
у, рад
Рис. 7. Интерференционный множитель земли, рассчитанный с учетом [2]
ц
Мощность, извлекаемая из поля падающей волны у антенны радиолокационного датчика цели, равна [2]:
Рдц
дц
4п0
(15)
4
Рдц =
__ Рпрд^цАдцРдц (@ц)
!6п20
2 ТЛ2
где Адц — эффективный раскрыв антенны радиолокационного датчика цели, м2.
По мере распространения в полупроводящей среде (маскирующий слой) радиоволна испытывает поглощение, выражающееся в уменьшении амплитуд электрического и магнитных полей волны [11]. Для учета поглощающих свойств сред, приближающихся по своим параметрам к проводнику (в нашем случае это снег или растительность), вводят множитель поглощения [9 — 12]:
Рпрд (Єц)впРд + рзем (у)х (Я — Я2)
(17)
02
2п22 023
ехр (-0,2 Гм км)
Так как реальные антенны имеют конкретные значения высот их установки, то выражение (17) с учетом
02 =
к
БІТ/
Скц кдц)
4 cosQц
(18)
Ммаск = ехр (-0,1Г"ки),
(16)
получит вид:
где Гм — удельное затухание в толще маскирующего слоя (Гм = 0,02… 0,5 дБ/м — трава, Гм = 0,03… 0,3 дБ/м — снег). Для дециметрового диапазона длин волн степенной коэффициент равен 0,1, при учете прохождения сигнала в одном направлении [12]). С учетом квадратичной зависимости плотности потока мощности и напряженности электрического и магнитных полей степенной коэффициент будет равен 0,2. Тогда оценка мощности сигнала на входе приемника ДЦ может быть определена выражением:
Р рпрд& amp-ц&-дцЬ Рдц№ц)СО$
А дц — ----------------------------------
!6п (кц — кдц)2
прд
(є ц) Спрд + Рзе
(у)х (Я2 -я22)
X
02
2пк: 02
БІЙ/
(19)
Нормированная диаграмма направленности антенны в полярной системе координат
Диаграмма направленности антенны по мощности в декартовой системе координат
а
Р, Вт
у, град
Р. Вт
Рис. 8. Диаграммы направленности антенны ППЭМП с учетом интерференционного множителя земли, рассчитанные для: а) йа = 0,12 м, Л = 0,12- б) йа = 1,2 м, Л = 0,12- в) = 12 м, Л = 0,12- г) = 30 м, Л = 0,12
у, град
0,01 0,1 1 10 1*10−3 1*1 о-4.
1 10 в г
Рис. 9. Оценочные зависимости мощности сигнала на входе приемника радиолокационного датчика цели при различных параметрах бистатического радиолокатора
Для иллюстрации приведем зависимости мощности, извлекаемой из поля падающей волны у антенны радиолокационного датчика цели (рис. 9), от длины волны Л и высоты цели кц (а), высоты подъема ка (б) и площади накрытия поверхности земли диаграммой направленности антенны передатчика первичного ЭМП Б (К1, Л2) (в), а также высоты подъема антенны радиолокационного датчика цели кдц (г). Все зависимости представлены в логарифмическом масштабе при заданных значениях апертур приемной и передающих антенн, а также условий, поставленных к задаче физического моделирования.
Анализ выражения и зависимостей, полученных в результате аналитического описания и математического моделирования, показывают, что мощность сигнала у антенны радиолокационного датчика цели значительно возрастает при увеличении длины волны первичного ЭМП пропорционально Л2, увеличении высоты подъема антенны датчика и площади накрытия поверхности земли диаграммой направленности антенны передатчика первичного ЭМП. Однако полученные зависимости весьма условны и позволяют оценить только энергетические характеристики сигнала у радиолокационного ДЦ. Реальные же процессы преобразования первичного электромагнитного поля значительно сложнее, так как на них оказывают существенное влияние: изрезанность диаграммы направленности земли Бзем (у) (интерференционный множитель, рис. 6) [2], микрофон-
ный эффект (появление низкочастотных составляющих в спектре сигнала вследствие вибраций элементов конструкции), биения частот (вызваны взаимными переотражения-ми между элементами радиолокационной цели и землей), фоновый шум, различные нелинейные искажения и многое другое.
Ранее произведенные расчеты верны для случая, когда радиолокационная цель являлась изотропным излучателем. Однако реальные воздушные объекты имеют сложные геометрические конструкции и, кроме того, они являются динамическими. Учет динамических и геометрических свойств объектов при физическом и математическом моделировании для современных радиолокационных станций позволяет выявлять новые признаки радиолокационных целей при их наблюдении.
Для решения задачи распознавания низколетящих целей в теории радиолокационного распознавания используются траекторные, сигнальные, поведенческие и тактические признаки [15]. В зависимости от решаемых задач сложными радиотехническими системами (целераспре-деление, целеуказание, селекция, адаптация средств поражения к характеристикам уничтожаемых объектов и др.) используются те или иные признаки и в некоторых случаях их комбинация для увеличения вероятности правильного распознавания. Все объекты, рассматриваемые применительно к нашей задаче, являются малоскорос-
тными, низколетящими и имеют вращающиеся элементы конструкции двигательной установки. Они могут осуществлять свой полет на предельно малых высотах от 10 до 50 м автономно или в режиме огибания рельефа местности (с автопилотом по заранее записанной в бортовой вычислитель программе). Поэтому в качестве наиболее ими-тостойкого признака целесообразно выбрать сигнальный признак — наличие или отсутствие вторичной модуляции радиолокационного сигнала. Физические основы эффекта вторичной модуляции с интерпретацией натурных экспериментов на реальных РЛС наиболее полно представлены в [17]. Здесь же достаточно подробно рассмотрены вопросы моделирования радиолокационных целей и сигналов, отраженных от них.
В основу физики вторичной модуляции положен процесс преобразования первичного СВЧ-поля на вращающихся элементах. В связи с этим одним из свойств целей с такими элементами является квазипериодичность комплексной огибающей сигнала, отраженного от цели [17]. Эффект вторичной модуляции проявляется во всех диапазонах СВЧ, особенно там, где Л/2 совпадает с радиусом лопатки компрессора (турбины) Дл, винта или пропеллера Дп. В таких случаях признаки вторичной модуляции наиболее выражены и позволяют классифицировать объекты по типам [16]. При этом признаком является не сам факт наличия или отсутствия вторичной модуляции, а количество лопаток компрессора турбины 1-ой, 2-ой и т. д. степеней, винтов (для винтомоторных самолетов) или пропеллеров (для мотодельтапланов) и малоскоростных летательных аппаратов. Все это требует при разработке радиолокационных систем рассмотрения специальных вопросов, связанных с обработкой радиолокационной информации. Поэтому при решении задачи радиолокационного распознавания в основу должна быть положена строго детерминированная задача определения поля у радиолокационного датчика цели.
Для математического описания модели сигналов от малоскоростных низколетящих целей необходимо учитывать их планерные составляющие и собственно «модуляционные», вызванные вращением винтов и лопастей несущих конструкций. При описании планерных составляющих, для полноты описания физических процессов рассеяния ЭМП целесообразно учитывать вторичный эффект Доплера, «шум цели» и «собственный шум цели». Это по сути разные физические эффекты, проявляющиеся при переотражениях ЭМВ от динамических объектов. Так вторичный эффект Доплера, в отличие от эффекта Доплера, учитывает взаимные перемещения локальных источников вторичного излучения. «Шум цели» определяет случайный характер дополнительных компонентов в отраженном сигнале, хотя и указывает на их источник. «Собственный шум цели» определяется индивидуальными характеристиками целей. Кроме того, следует учитывать, что отражающая поверхность реальных целей состоит из большого числа механически связанных элементов. Виды таких механических соединений (контактов) весьма разнообразны (сварка сплошным или прерывистым швом, клепка, болтовые соединения, соединения с помощью различного вида подшипников и т. п.). Естественно, что в мес-
тах соединений (контактов) электрические характеристики поверхности объекта отличаются от характеристик соединяемых элементов [12, 17].
Контакты оказывают разнообразное влияние на формирование поля вторичного излучения. Во-первых, поскольку это неоднородности, то контакты выступают как локальные центры рассеяния. Во-вторых, появляются нелинейные свойства отражающей поверхности, обусловленные нелинейными свойствами границ разделов «металл — металл», «металл — окисел — металл». В результате в отраженном сигнале появляются гармоники частот зондирующего сигнала и их комбинации [12, 17 — 20].
Таким образом, разработка математической модели цели и сигнала, отраженного от нее, представляет собой сложную и очень трудоемкую задачу. Это связано, прежде всего, со сложностью решения электродинамической задачи, а именно решения задачи дифракции на объектах сложной формы с различными линейными и нелинейными свойствами. В настоящее время широкое распространение получили эвристические (приближенные) методы моделирования целей и сигналов, отраженных от них. В общем случае рассматривают два основных подхода к моделированию. Это детерминированный подход и статистический.
При детерминированном подходе модель цели задается в виде системы сравнительно небольшого числа блестящих точек, фиксировано расположенных в системе координат цели и с заданными значениями ЭПР. В данном случае, если задается движение цели, происходит изменение фазовых набегов блестящих точек, что приводит к изменению положения фазового центра отражения (кажущегося центра). Такую модель получают в результате достаточно сложного математического моделирования или подробного моделирования в ультразвуковой ванне.
При статистическом подходе полагается, что структура «протяженной» цели непрерывно и хаотично меняется из-за внешних возмущений среды (ветер, турбулентность и т. д.). Поэтому предполагается, что вклад отдельной блестящей точки в общий сигнал является случайным. Кроме того, для целей со сложной геометрией общее число блестящих точек велико и постоянно будет меняться из-за эффекта затенения. Для того чтобы избежать этого, цель представляют в виде статистически независимых блестящих точек в некоторой области пространства. Таким образом, игнорируется механизм рассеяния и рассматривается сигнал как вырезка из ансамбля возможных эхо-сигналов заданного класса целей. Тип закона распределения определяется теоретически, эмпирически или из физических соображений на основе экспериментальных данных и оценок [15]. Достоинствами данного подхода являются простота моделирования и отсутствие необходимости учета индивидуальных свойств целей.
Физическую модель радиолокационной цели рассматривают в зависимости от соотношения размеров цели и длины волны в трех областях рассеяния: квазиоптической Х/Ь & lt-<- 1, релеевской (квазистатической) Ь/Х & lt-<- 1, резонансной Ь/Х «1. В настоящее время в технической литературе можно найти достаточно большое количество математических моделей сигналов, отраженных от целей, адекватность которых доказана экспериментально. Каждая из этих мо-
делей разрабатывалась для конкретных радиолокационных систем. В связи с этим использование той или иной математической модели сигнала, отраженного от цели, при разработке новых систем должно быть корректным и правильно обоснованным.
Итак, в зависимости от того, какие свойства объекта интересуют исследователя, при проектировании радиолокационных устройств вводятся специальные операторы или множители, учитывающие физику процессов преобразований первичных полей. При проектировании бистатичес-кого радиолокатора системы наведения средств поражения низколетящих целей необходимо учитывать, в первую очередь, первичное ЭМП, переотражения от подстилающей поверхности, радиолокационную цель и маскирующий слой. Особое место занимает аналитическое описание процессов, происходящих при преобразовании первичных полей на телах сложной формы. Такие формы имеют низколетящие летательные аппараты, например БЛА, мини-вертолеты, мотодельтапланы и крылатые ракеты, представляющие реальную угрозу важным наземным объектам. Процессы преобразований ЭМВ при дифракции на динамических объектах, сложны. Существующие методики
расчета полей при их дифракции на динамических объектах позволяют получить лишь приближенные аналитические решения. Поэтому в данной статье рассматриваются только упрощенные варианты физического и математического моделирования. Результаты расчетов и полученные зависимости носят оценочный характер и позволяют определить только энергетические параметры сигналов без учета интерференционного множителя земли, микрофонного эффекта, биений частот, фонового шума, различных нелинейных искажений и др. Учет последнего фактора требует дополнительных исследований, так как нелинейная эффективная поверхность рассеяния — величина непостоянная и меняется в зависимости от различных факторов, в том числе и от вибраций различных элементов конструкции летательного аппарата. В данной статье предлагаются только идея и некоторые физические принципы, которые могут быть положены в основу конструкторских разработок по созданию новой противовоздушной мины, предназначенной для предотвращения воздушно-террористической угрозы важных наземных объектов. Техническая реализация ее возможно зависит от требований, предъявляемых к защищаемым объектам.
Литература
1. Щербаков Г. Н., Шлыков Ю. А. Защита важных наземных объектов от воздушного терроризма/ Специальная техника, 1999, № 6, с. 17 — 22.
2. Финкельштейн М. И. Основы, радиолокации. — М.: Советское радио, 1973. — 496 с.
3. Бакулев П. А., Степин. В. М. Методы, и устройства селекции движущихся целей. — М.: Радио и связь, 1986. — 288 с.
4. Инженерные боеприпасы. Руководство по материальной части средств инженерного вооружения. Книга первая. — М.: Воениздат, 1963. — 213 с.
5. Слюсарь Н. М. Эффект вторичной модуляции радиолокационных сигналов. — Минск: ВА РБ, 2005. — 133 с.
6. Горбатов А. А., Рудашевский Г. Е. Акустические методы, измерения расстояний, и. управления. — М.: Энергоиздат, 1981. — 208 с.
7. Андрюшин О. Ф., Афанасенко Н. М. и др. Математическое и полунатурное моделирование сигнала от. сложных радиолокационных объектов применительно к системам, ближней радиолокации с импульсной модуляцией./ Специальная техника, 2008, № 2, с. 31 — 37.
8. Островитянинов Р. В., Бассалов Ф. А. Статистическая, теория, радиолокации протяженных целей. — М.: Радио и связь, 1982. — 232 с.
9. Финкельштейн. М.И. и др. Радиолокация слоистых земных покровов. — М.: Советское радио, 1977. — 145 с.
10. Справочник по радиолокации в 4-х т. под ред. Скольника. Ред. рус. пер. К. Н. Трофимов. — М.: Советское радио, 1976. — Т. 1- 1977. — Т. 2, 1978. — Т. 3, 1978. — Т. 4.
11. Долуханов М. П. Распространение радиоволн. — М.: Связьиздат, 1960. — 390 с.
12. Щербаков Г. Н. Обнаружение скрытых объектов — для. гуманитарного разминирования, криминалистики, археологии, строительства и борьбы, с терроризмом. — М.: Арбат-Информ, 2004. — 144 с.
13. Черный Ф. Б. Распространение радиоволн. — М.: Советское радио, 1962. — 471 с.
14. Лавров В. М. Теория электромагнитного поля и основы, распространения радиоволн. — М.: Связь, 1964. — 356 с.
15. Слюсарь Н. М. Методика приближенного решения, задачи рассеяния электромагнитных волн динамическими, объектами. Сборник научных трудов. XII военная научно-практическая конференция, Смоленск, ВА ПВО ВС РФ, 2004.
16. Ширман Я. Д., Горшков С. А., Лещенко С. П. и др. Методы, радиолокационного распознавания, и их моделирование/ Зарубежная радиоэлектроника, 1998, № 10, с. 3 — 63.
17. Слюсарь Н. М. Эффект вторичной модуляции радиолокационных сигналов. — Минск: ВА РБ, 2005. — 133 с.
18. Клементенко А. Я., Панов Б. А., Свешнеков В. Ф. Контактные помехи радиоприему. М.: Воениздат, 1979. — 116 с.
19. Кузнецов А. С., Кутин Г. И. Методы, исследования эффекта нелинейного рассеяния электромагнитных волн/ Зарубежная радиоэлектроника, № 4, 1985, с. 41 — 53.
20. Щербаков Г. Н., Шлыков Ю. А., Николаев А. В. К оценке фундаментальных пределов в нелинейной радиолокации/ Спец-техника и связь, 2008, № 2, с. 21 — 25.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой