Содержание к диссертации
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
1. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭХОСИГНАЛОВ ОТ
РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОБЪЕКТОВ И МЕТОДЫ ИХ
ИМИТАЦИИ 16
1.1. Радиолокационные объекты, их классификация
и основные характеристики 16
1.2. Особенности эхосигналов от сложных
радиолокационных объектов 22
Замещение радиолокационных объектов геометрическими моделями с зависимыми отражателями 28
Основные задачи исследования 33
Выводы по разделу 1 40
2. АДЕКВАТНОСТЬ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ
МОДЕЛИ, ОБРАЗОВАННОЙ ЗАВИСИМЫМИ
ОТРАЖАТЕЛЯМИ . 41
2.1. Функция ошибки и её свойства 42
Функция ошибки для двухточечной модели 42
Зависимость функции ошибки от числа
отражателей модели 45
Функция ошибки для несинфазной модели 49
Связь функции ошибки с эквивалентной искаженной нормированной диаграммой направленности.
Нормированная функция ошибки 52
2.2. Определение ошибок моделирования как эквивалентного
изменения параметров нормированной диаграммы
направленности 55
2.2.1. Ошибки моделирования как эквивалентное изменение
ширины нормированной диаграммы направленности 56
2.2.2. Ошибки моделирования как эквивалентное
изменение основных параметров разностных
диаграмм направленности 58
Интегральная ошибка 62
Нормированная интегральная ошибка 67
Ошибки моделирования как эквивалентное смещение пространственного положения моделируемого отражателя 69
2.6. Выводы по разделу 2 73
3. АНАЛИЗ ОШИБОК ИМИТАЦИИ ЭХОСИГНАЛА
ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ДВУХ И ТРЕХМЕРНЫХ
МОДЕЛЕЙ 75
3.1. Ошибки моделирования во временной области 76
3.1.1. Ошибки моделирования для функций отклика
линейного тракта, содержащих точки излома 78
3.1.2. Влияние параметров модели на параметры эхосигнала,
определяющие его временное положение 87
3.1.2.1. Оценка временного полоэюения имитируемого эхосигнала
по положению максимума отклика 89
3.1.2.2. Оценка временного полоэюения имитируемого эхосигнала
по положению центра тяжести отклика 90
3.1.2.3. Оценка временного полоэюения имитируемого эхосигнала
по положению фронта отклика 94
3.1.3. Выводы по подразделу 3.1 98
Ошибки двумерного моделирования 99
Общие рекомендации по синтезу моделей.
Алгоритм синтеза моделей 105
3.4. Выводы по разделу 3 113
4
4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ
РЕЗУЛЬТАТОВ И ИХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ
АПРОБАЦИЯ 115
4.1. Модель двухмоторного турбовинтового самолета 116
4.1.1. Синтез четырехточечной модели
турбовинтового самолета 116
4.1.2. Проверка адекватности синтезированной
четырехточечной модели самолета 120
Оценки эквивалентных искажений нормированных диаграмм направленности по четырехточечной модели самолета 130
Выводы по подразделу 4.1 137
4.2. Модель фрагмента неоднородной поверхности Земли 138
4.2.1. Синтез малоточечной модели фрагмента
подстилающей поверхности и проверка её адекватности 139
4.2.2. Фильтровой способ формирования эхосигналов от
отражателей малоточечной модели фрагмента
подстилающей поверхности 154
4.2.3. Обнаружение подвижных объектов на фоне модели
фрагмента подстилающей поверхности 156
4.2.4. Выводы по подразделу 4.2 164
4.3. Использование полученных результатов для анализа
работы и выбора параметров матричных имитаторов
подвижных точечных целей 164
4.4. Выводы по разделу 4 170
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 172
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 174
ПРИЛОЖЕНИЯ 188
5 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
АФУ - антенно-фидерное устройство;
АЧХ — амплитудно-частотная характеристика;
БРЛС - бортовая радиолокационная станция;
ДН — диаграмма направленности;
ДНА - диаграмма направленности антенны;
ЗС - зондирующий сигнал;
КО — комплексная огибающая;
КФ — корреляционная функция;
КЧХ — комплексная частотная характеристика;
ЛА - летательный аппарат;
ОР — объемно-распределенный (объект);
ПБЛ — подавление боковых лепестков;
ПО - программное обеспечение;
ПР — поверхностно-распределенный (объект);
ПРЛС - пассивная радиолокационная станция;
р/л — радиолокационный;
РЛС- радиолокационная станция;
СПМ — спектральная плотность мощности;
УБИ — уровень бокового излучения;
УЭПР - удельная эффективная поверхность рассеяния;
ФЧХ - фазо-частотная характеристика;
э/с — эхосигнал;
ЭМВ - электромагнитная волна;
ЭПР — эффективная поверхность рассеяния;
ЭЦИ — эквивалентный центр излучения.
Введение к работе
Исследования в области имитационного моделирования эхосигналов, рассеянных радиолокационными объектами, ведутся практически с момента возникновения радиолокации. Одной из причин этого является стремление упростить и удешевить процесс разработки и отладки программно-аппаратных средств радиолокационных станций за счёт апробации оборудования и алгоритмов без проведения натурных испытаний, в условиях моделирования радиолокационной (р/л) обстановки. Такая идеология получила название полунатурного моделирования [1-13]. Особый интерес и перспективу представляют имитационные комплексы, реагирующие в реальном масштабе времени на изменения состояния испытуемой РЛС и условий эксперимента [14-23]. Поэтому актуальна задача создания моделей р/л объектов, позволяющих осуществить такую имитацию.
К настоящему моменту сформировались две большие группы физико-математических моделей р/л объектов: электродинамические и феноменологические [24-27].
Электродинамические модели основаны на непосредственном математическом описании отражающих свойств р/л объекта [26-38]. При этом точность моделирования определяется в первую очередь точностью математического описания геометрии и электродинамических характеристик объекта. Несомненным достоинством электродинамических моделей является их непосредственная связь с физическими свойствами цели и процессами, происходящими при рассеянии электромагнитных волн. Во многом это гарантирует адекватность результатов моделирования [27, 28]. Однако, вследствие большого объема вычислений, необходимых для расчета поля обратного рассеяния, возможности электродинамической модели сколько-нибудь сложного объекта для имитации эхосигналов (э/с) в реальном масштабе времени весьма ограничены.
Феноменологический подход заключается в создании искусственных моделей, которые воспроизводят свойства моделируемых объектов с заданной точностью [41-45]. Из группы феноменологических моделей набольшее рас-
7 пространение получили так называемые геометрические модели. Они базируются на представлении р/л объекта как совокупности большого числа отражающих элементов. В геометрических моделях цель описывается набором независимых точечных отражателей, расположенных в пространстве в соответствии с геометрической конфигурацией замещаемого объекта [46]. Независимость отражателей модели выражается в отсутствии жесткой функциональной связи между доплеровскими флуктуациями эхосигналов от них. Статистические и спектральные характеристики сигналов, рассеиваемых отражателями модели, определяются свойствами замещаемых фрагментов цели. Эти характеристики могут быть рассчитаны теоретически (например, с использованием электродинамической модели фрагмента) или получены экспериментально при натурных испытаниях.
Достоинством геометрических моделей является высокая точность моделирования пространственной структуры р/л объектов и, как следствие этого, высокая точность имитации шумов р/л координат и флуктуации э/с [24]. Недостатком является существенный объем вычислений, необходимый для имитации э/с в реальном масштабе времени, пропорциональный числу отражателей модели. Высокая точность имитации может быть достигнута только при большом числе отражателей модели, которое может колебаться от 10-;-1000
(для сосредоточенных объектов - самолетов, кораблей и т.д.) до 10 4-Ю (для распределенных объектов - подстилающей поверхности, метеообразований и т.д.) [24, 43]. Обычно это ограничивает применение геометрических моделей для имитации э/с в реальном масштабе времени. Данная работа посвящена развитию одного из путей преодоления этих трудностей.
Известно [46], что совокупность неразрешаемых отражателей воспринимается РЛС как точечный отражатель, пространственное положение которого совпадает с эквивалентным центром излучения (ЭЦИ). Пространственное положение ЭЦИ зависит от амплитудно-фазовых соотношений между э/с от отражателей [46]. До сих пор это явление использовалось в основном для имитации подвижных точечных целей в матричных имитаторах [51-53]. Предлагает-
8 ся использовать его для сокращения числа отражателей геометрических имитационных моделей сложных р/л объектов [94-97]. Под сложным р/л объектом здесь понимается объект, пространственной структурой которого нельзя пренебречь. Идея заключается в замене множества независимых отражающих элементов, образующих моделируемый объект, группой из меньшего числа отражателей, формирующих зависимые сигналы. Это достигается замещением отражающих точек реального объекта эквивалентными центрами излучения модели, что позволяет сократить число отражателей модели без потери числа моделируемых отражателей реального объекта (каждый отражатель объекта замещается не отражателем модели, а своим ЭЦИ). Эхосигнал от отражателя такой модели представляет собой сумму эхосигналов от отражающих точек замещаемого объекта. При этом эхосигналы от отражателей объекта входят в эту сумму со своими строго определенными амплитудными и фазовыми множителями. Таким образом, эхосигналы от отражателей такой модели имеют между собой жесткую функциональную связь. Будем называть эти отражатели зависимыми отражателями, а отражатели, эхосигналы от которых не имеют функциональной связи, будем называть независимыми отражателями.
Для успешного использования предложенного подхода необходимо решить вопросы, связанные с адекватностью замещения точечного отражателя (точечной цели или отражающей точки сложного р/л объекта) набором зависимых отражателей. В общетеоретических работах [46, 50, 55, 57], посвященных геометрическому подходу, этот вопрос не поднимается, а в работах, посвященных матричным имитаторам, исследовались лишь некоторые частные результаты, применимые к конкретной специфической ситуации [51].
В итоге до настоящего времени оказались нерешенными некоторые вопросы, связанные с адекватностью моделирования точечных целей матричными имитаторами и осталась нереализованной возможность создания экономичных имитационных моделей сложных р/л объектов на основе геометрической модели с зависимыми отражателями, что и определило цель данной работы.
Цель работы - теоретически обосновать метод синтеза имитационных моделей сложных радиолокационных объектов, использующих принцип замещения фрагмента сложного радиолокационного объекта эквивалентным центром излучения группы отражателей, формирующих взаимозависимые сигналы.
Достижение поставленной цели потребовало решения следующих основных задач.
Выявить причины возникновения ошибок имитации эхосигнала, вызванных применением моделей с зависимыми отражателями.
Установить зависимости, связывающие параметры модели с величинами ошибок моделирования.
Разработать рекомендации по синтезу моделей, содержащих минимальное число отражателей при заданном уровне ошибок имитации.
На основе разработанных рекомендаций синтезировать модели наиболее распространенных р/л объектов.
Произвести экспериментальную проверку полученных теоретических результатов.
Структура и содержание работы
Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, шести приложений и списка литературы.
Во введении сформулированы цель и основные задачи исследования, а также коротко изложено основное содержание работы, отмечена её научная новизна и практическая значимость.
В первом разделе раскрыты идеи, лежащие в основе замещения сложных р/л объектов геометрическими моделями с зависимыми отражателями. Рассмотрены нерешенные научные задачи, препятствующие применению данного подхода, и на основании этого конкретизированы задачи исследования.
Показано, что геометрические модели с независимыми отражателями, часто не удовлетворяют требованиям к точности имитации при ограниченных вычислительных ресурсах имитатора (увеличение точности достигается уве-
10 личением числа отражателей модели, что ведет к росту вычислительных затрат на формирование э/с). Рассмотрена модель, состоящая из зависимых отражателей, позволяющая примирить требования к точности моделирования с возможностями аппаратных средств имитации.
Показано, что замещение точечного отражателя моделью из зависимых отражателей приводит к появлению специфических ошибок, связанных с пространственной распределенностью модели. Предложены критерии, определяющие эти ошибки. А именно: функция ошибки, эквивалентная искаженная нормированная диаграмма направленности, нормированная функция ошибки, интегральная ошибка, нормированная интегральная ошибка, эквивалентное смещение пространственного положения моделируемого объекта.
Второй и третий разделы посвящены исследованию вопросов точности моделирования точечного отражателя моделью, образованной группой зависимых отражателей.
Во втором разделе рассмотрены вопросы адекватности моделирования точечного отражателя (точечной цели или отражателя сложного р/л объекта) моделью, состоящей из двух зависимых отражателей, имеющих одинаковые координаты по азимуту или углу места (одномерная двухточечная модель).
Математически строго доказано, что двухточечная модель дает наибольшие ошибки по сравнению с эквивалентными ей моделями, состоящими из большего числа отражателей. Это позволяет по двухточечной модели оценивать максимальные значения ошибок.
Установлены зависимости, связывающие параметры двухточечной модели с величиной ошибок моделирования по введенным в первом разделе критериям. Они позволяют определить параметры синтезируемых моделей, исходя из допустимого значения ошибки.
В третьем разделе развиты результаты, полученные в разделе 2 для одномерной двухточечной модели.
Проанализированы особенности двумерных (распределенных в плоскости азимут-угол места) моделей. Показано, что произвольный выбор конфигура-
ции двумерной модели может приводить к увеличению ошибок. Получены условия, при выполнении которых этого не происходит. Найдена конфигурация четырехточечной модели и соотношения между параметрами эхосигналов от её отражателей, удовлетворяющие этим условиям.
Исследованы ошибки имитации эхосигнала во временной области, вызванные распределенностью модели по координате наклонная дальность. Показано, что во многих случаях эти ошибки подчиняются тем же закономерностям, что и ошибки одномерного моделирования в области угловых координат. Исключение составляют ошибки для откликов линейного тракта приемника РЛС, содержащих точки излома. Этот случай был проанализирован отдельно. В результате были получены соотношения, связывающие искажения огибающей отклика линейного тракта приемника РЛС на эхосигнал от модели с её параметрами. Кроме того, было проанализировано влияние этих искажений на точность оценки временного положения эхосигнала от модели.
Обобщены результаты исследований, проведенных в разделах 2 и 3, и на их основе разработаны рекомендации по синтезу трехмерных моделей.
Четвертый раздел посвящен развитию полученных в разделах 2 и 3 теоретических результатов в направлении их практического использования для синтеза моделей распространенных р/л объектов, а также их экспериментальной проверке.
Синтезирована четырехточечная модель двухмоторного турбовинтового самолета (как сложного р/л объекта). Характеристики эхосигналов от синтезированной модели, полученные методами цифрового моделирования, практически совпали с результатами натурных экспериментов [57]. Это подтверждает адекватность модели и правильность математических соотношений, использованных при её синтезе.
Синтезирована малоточечная модель статистически неоднородной поверхности Земли. Численными экспериментами подтверждено, что синтезированная модель адекватно замещает подстилающую поверхность для систем обзора земной поверхности и систем селекции наземных движущихся целей.
Результатами численных экспериментов с моделью самолета и моделью фрагмента подстилающей поверхности подтверждены теоретические результаты, полученные в разделах 2 и 3.
На примере синтезированных моделей получены оценки сокращения объема вычислений, выполняемых имитатором в реальном масштабе времени, которые дает предложенная модель при имитации эхосигналов от сложных р/л объектов по сравнению с классической геометрической моделью. Полученные оценки подтверждают целесообразность использования предложенного подхода и практическую значимость полученных математических соотношений.
В заключительной части четвертого раздела рассмотрена возможность использования полученных в работе теоретических и экспериментальных результатов при разработке матричных имитаторов электромагнитных полей, а также при анализе результатов моделирования, полученных с помощью таких имитаторов.
В заключении перечислены основные результаты работы.
В приложения вынесена вспомогательная информация, используемая при синтезе и проверке моделей самолета и фрагмента поверхности Земли. Кроме того, в приложениях коротко рассмотрено программное обеспечение, разработанное на основе полученных в работе результатов, а также приведены акты, подтверждающие внедрение результатов работы.
Научная новизна работы
Доказано, что модели, составленные из 2ч-8 зависимых отражателей, позволяют с заданной точностью имитировать отражения от радиолокационных объектов, состоящих из существенно большего числа отражающих элементов.
Получены соотношения для оценки адекватности замещения точечного излучающего объекта совокупностью дискретных отражателей, формирующих зависимые сигналы. А именно, установлена связь параметров модели, составленной из малого числа зависимых отражателей, с эквивалентными изменениями пространственной конфигурации замещаемого объекта и эквивалент-
13 ными изменениями параметров РЛС, для которой осуществляется имитация эхосигнала. К этим параметрам относятся - параметры диаграммы направленности антенны РЛС, параметры эхосигнала на выходе антенно-фидерного тракта РЛС, а также параметры отклика линейного тракта приемника РЛС на зондирующий сигнал.
3. Предложены и теоретически обоснованы структура и алгоритм синтеза геометрической модели сложного р/л объекта, состоящей из 2-І-8 зависимых отражателей, основанной на замещении отражающих точек реального объекта эквивалентными центрами излучения модели.
Практическая значимость
1. На основе полученных теоретических результатов сформулированы ре
комендации по синтезу моделей, построенных из зависимых отражателей. Эти
модели требуют как минимум в М/(2-г8) раз меньших вычислительных за
трат на формирование эхосигналов в реальном масштабе времени, чем модели,
построенные из независимых отражателей (М - число отражающих точек мо-
делируемого р/л объекта, которое может колебаться в пределах 100 4-10 ). Это позволяет имитировать отражения от сложных радиолокационных объектов в реальном масштабе времени, используя универсальные вычислительные устройства с относительно небольшим быстродействием, а также увеличить количество радиолокационных объектов, участвующих в полунатурном эксперименте, и повысить точность моделирования их характеристик.
Осуществлен синтез и экспериментальная проверка четырехточечной модели самолета и малоточечной модели фрагмента статистически неоднородной поверхности Земли. Результаты цифрового моделирования эхосигналов, полученные с использованием синтезированных моделей, согласуются с результатами натурных экспериментов. Этим подтверждена достоверность полученных в работе теоретических результатов.
Полученные в работе математические соотношения позволяют осуществлять оценку точностных характеристик и обоснованный выбор параметров матричных имитаторов подвижных точечных целей.
14 Основные положения и результаты, выносимые на защиту
Возможно адекватное замещение сложных радиолокационных объектов, образованных большим числом отражающих элементов, геометрической моделью, составленной из 2-ь8 точечных отражателей, формирующих взаимозависимые эхосигналы. Применение этих моделей позволяет сократить объем вычислений, выполняемых при имитации эхосигналов в реальном масштабе времени.
Максимальный уровень ошибок, вызванных замещением реального радиолокационного объекта малоточечной моделью с зависимыми отражателями, может быть оценён по эквивалентным двухточечным моделям. Эти ошибки целесообразно оценивать через эквивалентные изменения параметров диаграммы направленности антенны РЛС, а также отклика линейного тракта приемника РЛС на зондирующий сигнал. Для оценки величин ошибок служат полученные в работе соотношения и зависимости, связывающие параметры двухточечной модели с параметрами РЛС и величиной ошибок.
Структура и соотношения для расчета параметров модели, составленной из минимального числа зависимых отражателей, замещающей трехмерный объект или его фрагмент и гарантирующей при этом заданную точность моделирования.
Результаты экспериментальной проверки предложенного подхода к моделированию сложных радиолокационных объектов на примере синтеза и анализа четырехточечной модели самолета и малоточечной модели статистически неоднородного фрагмента подстилающей поверхности.
Методы исследований
При теоретических исследованиях были использованы: статистическая теория радиолокации, теория радиолокационных измерений, теория антенн, а также методы математического и цифрового моделирования.
15 Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на шестой международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Новосибирск, 2002), на седьмой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2001), на Всероссийской научно-технической конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных волн» (Таганрог, 2001), на Региональной научно-технической школе-семинаре студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы радиотехники» (Новосибирск, 2003).
Реализация и внедрение результатов исследований
Работа выполнена в рамках договора о научно-техническом сотрудничестве между НГТУ и ОАО «НИИ измерительных приборов» (г. Новосибирск). На базе полученных результатов разработано программное обеспечение для имитации эхосигналов от протяженных радиолокационных объектов. Оно используется в настоящее время на предприятиях ОАО «НРШ измерительных приборов» и ОАО «Октава» (г. Новосибирск) для отработки перспективных РЛС.
Внедрение результатов подтверждено соответствующими актами.
Публикации
Основные результаты работы опубликованы в трёх статьях, одной депонированной рукописи и тезисах восьми докладов на международных, всероссийских и региональных конференциях.
