Содержание к диссертации
Введение
1 Обоснование метода селекции воздушных целей на основе анализа структуры фазового фронта 11
1.1 Анализ существующих методов селекции движущихся целей 11
1.2 Метод селекции воздушных целей на основе анализа структуры фазового фронта 24
1.3 Структура фазового фронта в ближней зоне 32
Выводы по первому разделу 41
2 Статистические характеристики фазового фронта сигнала, отраженного от распределенного и движущегося объектов 43
2.1 Флуктуации фазового фронта и их источники 43
2.2 Определение структуры фазового фронта суммарного сигнала, отраженного от распределенного и движущегося объектов 49
2.3 Структура фазового фронта с учетом движения носителя РЛС 57
2.4 Статистические характеристики колебаний фазового фронта 61
2.4.1 Математическое ожидание положения фазового фронта сигнала и фона 63
2.4.2 Дисперсия крутизны наклона фазового фронта 65
2.4.3 Корреляционная функция крутизны наклона фазового фронта 73
2.4.4 Энергетический спектр крутизны наклона фазового фронта 81
2.5 Влияние траекторных флюктуации и внутренних шумов приемника на положение фазового фронта 84
Выводы по второму разделу 86
3 Оценка возможностей селекции воздушных целей по колебаниям фазового фронта 88
3.1 Характеристики обнаружения воздушных целей по структуре колебаний фазового фронта 88
3.2 Сравнительная оценка амплитудного метода селекции движущихся целей и метода, основанного на колебаниях фазового фронта 104
Выводы по третьему разделу 113
4 Оценка ошибок определения пеленга при многоточечной структуре источников излучения 114
4.1 Анализ структур многоточечных источников излучения 114
4.2 Определение угловых ошибок пеленгатора при многоточечной структуре источников излучения 121
4.3 Оценка ошибок пеленгации при применении многоточечной структуры источников излучения с использованием математической модели 129
4.4 Алгоритм расчета эффективности многоточечной системы источников излучения 137
4.5 Алгоритм выбора многоточечной системы источников излучения 141
Выводы по четвертому разделу 145
5 Математическое моделирование многоточечной системы источников излучения 148
5.1 Описание математической модели многоточечной системы 148
5.2 Анализ результатов моделирования 156
Выводы по пятому разделу 162
Заключение 163
Список литературы 166
- Метод селекции воздушных целей на основе анализа структуры фазового фронта
- Определение структуры фазового фронта суммарного сигнала, отраженного от распределенного и движущегося объектов
- Сравнительная оценка амплитудного метода селекции движущихся целей и метода, основанного на колебаниях фазового фронта
- Определение угловых ошибок пеленгатора при многоточечной структуре источников излучения
Введение к работе
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 флюктуации 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 траекторных флюктуации 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
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
Впервые исследованы статистические свойства фазового фронта суммарного сигнала подстилающей поверхности и движущейся цели во временной и спектральной областях.
На основе проведенного расчета вероятности правильного обнаружения при использовании метода анализа структуры фазового фронта предложены рациональные параметры системы селекции
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
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
Принцип построения радиолокационных систем селекции воздушных целей, основанный на анализе фазового фронта отраженных сигналов
Предложенный метод селекции воздушных целей имеет преимущество перед известным амплитудным методом, причем при определенных условиях выигрыш может достигать 20 дБ и более
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
Метод селекции воздушных целей на основе анализа структуры фазового фронта
Проведем анализ структуры фазового фронта на примере объекта, состоящего из двух точечных отражателей, разнесённых на величину h. Считаем, что сигнал в точке приёма образован двумя точечными отражателями - целью (В) и участком местности (А), разнесёнными по углу места, причём перемещение цели относительно Земли эквивалентно повороту базы, соединяющей эти элементы (рисунок 1.8). Одновременно будем считать, что дальность до цели много больше линейных размеров АВ (зона дифракции Фраунгофера), а линейный размер, в свою очередь, много больше длины рабочей волны. Анализ структуры фазового фронта принимаемых сигналов проведем следующим образом: 1. Находим уравнение линии равных фаз вектора напряженности результирующего поля двух источников, определяемого сигналами фона и цели. 2. Определяем угол ц между касательной к окружности с центром в точке О и касательной к линии равных фаз результирующего поля двух источников. Шг Рисунок 1.8 Метод обнаружения движущихся объектов на основе анализа изменений фазового фронта. Полученные таким образом значения угла /л определяются изменением положения фазового фронта, если антенна РЛС имеет линейный размер, много меньший протяжённой области фазовой инверсии.
Из выражения (1.12) следует, что искажения фазового фронта волны, обусловленное двухточечной структурой цели, зависят от соотношения амплитуд сигналов и сдвига фазы между ними и максимально при противофазности {фрез п) сигналов. Следует отметить, что отождествление направления пеленга с направлением нормали к фазовому фронту результирующего отражённого сигнала справедливо только при линеаризации пеленгационной характеристики РЛС. Последнее допустимо при пеленговании точечных и малоразмерных целей, когда угловые отклонения оси антенны РЛС от направления на геометрический центр отражённых сигналов невелики. Выражение (1.11) при малых значениях величины п упрощается: ju = — -(l-2ncos((po+27rF0t)). (1.14) Видно, что перпендикуляр к фазовому фронту, который характеризует направление на сложную цель, периодически с частотой F p изменяется относительно направления на цель с большим отражённым сигналом.
Следовательно, чем меньше отношение амплитуд сигналов п, тем меньше и амплитуда колебаний направления на большую по величине сигнала цель. Чем больше высота цели, тем больше и амплитуда колебаний. Указанные периодические колебания фазового фронта могут быть измерены любой моноимпульсной радиолокационной системой, предназначенной для определения угловых координат в вертикальной плоскости, если дополнительно ввести в РЛС фильтровое устройство для селекции сигналов с частотой периодических колебаний фазового фронта.
Для измерения положения фазового фронта в вертикальной плоскости и выделения движущихся целей может быть применена двухканальная интерфе-рометрическая система с разносом приёмных точек на расстояние d в вертикальной плоскости и фильтровая система выделения частоты колебаний фазового фронта. На рисунке 1.10 приведена схема такого устройства.
Принятые сигналы усиливаются в каналах УПЧ и затем ограничиваются по амплитуде. С выхода ограничителя сигналы воздействуют на фазовый детектор. Разность фаз действующих сигналов зависит от угла ц\ между перпендикуляром к базе d (равносигнальным направлением) и направлением, перпендикулярным фазовому фронту.
Ограничением данного метода является то, что он будет эффективен только на относительно небольших расстояниях, так как амплитуда колебаний фазового фронта пропорциональна величине базы. Указанный недостаток компенсируется возможностью накопления сигнала, что повышает эффективность обнаружения низколетящих объектов.
Двухточечная модель дает наглядный способ представления природы колебаний положения фазового фронта и основные соотношения, получающиеся при использовании метода, но не отражает реальной картины, что связано с разнородностью флюктуации. Поэтому вопросу влияния флюктуации на положение фазового фронта сигнала посвящен второй раздел данной работы.
В качестве модели объекта, как и в предыдущем случае, используем два разнесенных излучателя, которые создают диаграмму направленности, подобную реальной диаграмме вторичного излучения.
Определение структуры фазового фронта суммарного сигнала, отраженного от распределенного и движущегося объектов
Как уже отмечалось ранее, если излучатель сигнала одиночный или угловые размеры группы излучателей малы по сравнению с шириной диаграммы направленности системы пеленгатора, то направление нормали к фазовому фронту волны совпадает с направлением на излучатель. Когда в образовании сигнала участвуют два или более излучателей, значительно разнесенных по угловым координатам, то направление нормали к фазовому фронту такого сигнала будет случайным, в общем случае не совпадающим с направлением на каждый излучатель. Если в течение времени приема суммарного сигнала изменяются амплитудные и фазовые соотношения между сигналами отдельных излучателей, то будет меняться и направление нормали, а, следовательно, значение угловых отсчетов.
При обнаружении малоразмерной цели на фоне Земли сигнал в точке приема образован двумя отражателями - целью и участком местности длиной cxjl, разнесенными по углу места на высоту полета цели. В силу случайных амплитудных и фазовых соотношений между сигналом и отражателями от местности положение фазового фронта в пространстве будет случайным. Вследствие того, что производится регистрация наклона фазового фронта от периода к периоду радиолокационного обзора, изменение амплитуд и фаз сигналов от местности и цели приводят к существенным флюктуациям угла наклона фазового фронта.
Практический интерес представляет изменение положения фазового фронта при стробировании участка определенной дальности, на фоне которого перемещается движущаяся цель. В пределах строба имеется множество элементарных отражателей, которые имеют случайные составляющие фазы и амплитуды.
При переходе к пространственному представлению это означает, что число отражателей за время обнаружения не меняется и, соответственно, мало их влияние на фазу и амплитуду результирующего сигнала.
В то же время, имеются временные изменения положения отражателей, что приводит к изменению во времени результирующего сигнала. В этих условиях процесс выделения подвижных целей становится сугубо вероятностным, даже при отсутствии внутреннего шума приемного устройства.
В качестве модели протяженной цели будем использовать совокупность элементарных отражателей, размещенных на поверхности цели [39, 40, 41, 49]. В таком виде эта модель охватывает и поверхности, покрытые растительностью, поскольку элементы последней можно также представить в виде элементарных отражателей. На свойства элементарных отражателей накладываются следующие ограничения: во-первых, предполагается, что сигнал, полученный от одного элементарного отражателя, не зависит от сигналов, приходящих от других отражателей; во-вторых, количество элементов (отражателей), образующих поверхность, должно быть велико, а отражающие свойства этих элементов приблизительно одинаковыми. Введем систему координат, центр которой совпадает с центром протяженной цели, а угол \/ отсчитывается от нормали к цели .
Амплитуду сигналов целей считаем распределенной по закону Релея. Применительно к воздушным целям предположение о релеевском распределении амплитуд сигналов подтверждено экспериментально [13, 14, 15]. Вопрос о характере распределения случайной фазы исследовался экспериментально [16, 17].
Четвертый член суммы выражения (2.10), определяемый квадратом амплитуды сигнала цели и высотой полета цели, определяет величину постоянного сдвига положения фазового фронта сигнала, вносимого целью.
Если в выражении (2.10) высоту цели взять равной нулю, то колебания положения фазового фронта сигнала будут иметь ту же частоту, что и в предыдущем случае. Составляющая случайных колебаний положения фазового фронта сигнала фона также входит в этом случае в состав колебаний положения фазового фронта сигнала.
Исходя из этого, можно сделать второй вывод о том, что колебания положения фазового фронта сигнала не зависят от высоты полета цели, а определяются только ее скоростью.
Таким образом, при наблюдении движущейся точечной цели на фоне отражений от поверхности Земли фазовый фронт так же, как и при двухточечной цели, будет иметь регулярную составляющую колебаний фазового фронта.
Сравнительная оценка амплитудного метода селекции движущихся целей и метода, основанного на колебаниях фазового фронта
Представляет практический интерес сравнение широко применяемого амплитудного метода селекции движущихся целей с методом, исследуемым в работе. При сравнении методов обнаружения движущихся целей за основной показатель эффективности метода принимаем относительный коэффициент улучшения отношения сигнал/помеха па выходе систем обработки фазовой и амплитудной систем. Подобная оценка эффективности метода использовалась в ряде работ [57, 58] при сравнении устройств, улучшающих обнаружение. Отсюда вытекает следующий путь решения поставленной задачи: вычисление дисперсии сигнала и фона на выходе системы обработки амплитудного типа; вычисление отношения сигнал/шум для амплитудной системы обнаружения; вычисление отношения q; определение характеристик обнаружения амплитудной системы и сравнение полученных значений с характеристиками обнаружения ПССЦ.
Первый член выражения (3.37) характеризует флюктуирующую составляющую фона на выходе детектора, а второй член характеризует составляющую биений сигналов движущейся цели и фона.
Анализируя выражение (3.37), можно сделать вывод, что сигнал на выходе детектора оказывается модулированным по амплитуде в соответствии с законом изменения функции Частота амплитудной модуляции определяется величиной частотной поправки Доплера, а глубина модуляции зависит от соотношения детектируемых напряжений.
Из полученных выражений видно, что при амплитудном методе селекции дисперсия сигнала не зависит от высоты полета цели, размеров стробируе-мого участка фона и высоты полета носителя РЛС. Это говорит о том, что указанные параметры не будут влиять на характеристики обнаружения движущихся целей при применении амплитудного метода селекции.
Сравним полученное выражение с аналогичным для случая колебаний фазового фронта сигнала (3.5). Отличие состоит в том, что дисперсия сигнала амплитудной системы определяется только мощностью сигнала цели и мощностью сигнала фона.
Из этого выражения видно, 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.
Сравним полученный выигрыш фазового метода обнаружения (3.53) с величиной подпомеховой видимости системы ПССЦ (3.27). Видно, что эти выражения одинаковы, т.е. q=qnne, и построенные графики 3.3 - 3.6 можно рассматривать как выигрыш метода селекции по колебаниям фазового фронта по сравнению с амплитудным методом.
Выражения (3.27) и (3.53) показывают, что при угле =90 выигрыш (подпомеховая видимость) будет равен бесконечности, что невозможно. Причина заключается в том, что система координат выбрана таким образом, что при угле у/=90 флуктуации фазового фронта фона отсутствуют, т.е. участок фона сжимается в точку или, иными словами, носитель РЛС как бы находится на поверхности земли. Отсюда и отношение q в исследуемой системе при /=90 будет равно бесконечности.
Следовательно, формулы (3.30) и (3.53) справедливы при всех углах \/, за исключением близких к 90.
Сравнение формул предыдущего параграфа с полученными показывают, что на выходах фильтровой системы обработки сигналы амплитудной и фазовой систем одинаковы, за исключением коэффициентов Сі и Сг, т.е. эффект накопления имеет место и в амплитудной системе, и выигрыша при сравнительной оценке не дает. Сигналы на выходе фазового и амплитудного детекторов отличаются теми же коэффициентами. Сигналы же на выходе систем одинаковы.
Из сказанного следует, что выигрыш получается при регистрации углового положения фазового фронта, т.е. за счет использования геометрических отличий в положении сигнала цели и фона, что является следствием увеличения глубины модуляции полезного сигнала.
Определение угловых ошибок пеленгатора при многоточечной структуре источников излучения
Определим угловые ошибки РЭС (обнаружителя), если в образовании фазового фронта участвуют детерминированные источники сигналов, которые которые можно назвать мешающими сигналами. Рассмотрим мешающие воздействия из четырех, трех и двух точек при условии, что в образовании суммарного фазового поля участвует и сигнал РЭС, подлежащий обнаружению. Начнем вычисление ошибки углового канала системы обнаружения при количестве источников излучения, равного четырем. Сигналы станций в точке приема запишем следующим образом: cot л s my/ + (pc(xf(,t) Л J. Uc(x,t)= J]A{xk)G(xk)cxp j где хк- координата станции излучения; Л(хк) - амплитуда сигнала в точке приема от станции, находящейся в точке хк; G(x,J - диаграмма направленности станции излучения; У- угол наблюдения излучателей с системы обнаружения.
Ошибка пеленга пропорциональна выражению (4.12), и только максимизировав ее в пределах разрешения, при фиксированном значении Т будем иметь максимальную ошибку. Выражение (4.12) прямым дифференцированием по \/ решить трудно, поэтому выполним вычисления прямым путем.
Казалось бы, что выражение (4.15) описывает трехточечную систему мешающих излучателей, выражение (4.16) двухточечную, а выражение (4.17) одноточечную. В действительности же это четырехточечная система, но в первом случае одна станция системы, находящаяся в точке х0 ,совмещена с началом координат, во втором случае - две станции поставлены вместе и в начале координат, а в третьем - три. Такое упрощение гюлучилось вследствие того, что мы приняли условие равенства нулю разностей фаз всех сигналов. Таким образом, важное значение имеют не только пространственный разнос, но и поддерживаемая (изменяемая во времени) разность фаз сигналов станций, находящихся на одной позиции, и станций, удаленных от последней. Выражения (4.12)-(4.18) не содержат амплитуд сигналов, так как вычислялись в предположении их равенства, но в общем случае может возникнуть ситуация, когда учет амплитуд необходим.
Таким образом, изменение пространственного положения фазового фронта суммарного сигнала, т. е. внесение ошибки в пеленг на обнаруживаемое РЭС, можно производить изменением не только фазовых и амплитудных составляющих помеховых сигналов, но и частотных, которые определяются полосой пропускания приемника.
Изменение вида помеховых и маскируемых сигналов, участвующих в образовании суммарного сигнала фазового фронта, позволяет получить максимальную ошибку пеленга при минимальном пространственном их разнесении.
При движении обнаруживаемого объекта фазовый фронт в точке расположения системы обнаружения имеет регулярную составляющую колебаний, амплитуда которой определяется угловыми размерами объект-фон, а также амплитудными и фазовыми соотношениями сигналов.
Ошибки пеленгации системы обнаружения будем оценивать вероятностью ложного пеленга обнаруживаемого объекта, т.е. ошибками пеленгатора, вносимыми многоточечной системой, хотя иомеховые сигналы будут действовать как на канал пеленга, так и на капал анализа параметров сигналов системы обнаружения. Следует отметить, что при х0=0, =0,011 период повторения равен примерно 108чисел, а время генерации 3...4 с, т.е. алгоритм имеет большой период повторения и малое время генерации.
Для учета случайного характера амплитуд в программе осуществляется замена детерминированных значений амплитуд на случайные величины, распределенные по закону Релея [34]. Алгоритм генерации псевдослучайной последовательности чисел с релеевским законом распределения использует выражения [35, 92, 94, 95]: Z(o-) = V(r1(0 O-))2+(r2(0,(T))2 12 Ш т)=сг(2 (0,1)-6), к=\ где Yx (0, a), Y2 (0,0) - независимые случайные величины, имеющие нормальный закон распределения с матожиданием, равным нулю, и средним квад-ратическим отклонением a; Z(o) - случайная величина, имеющая релеевский закон распределения; хкф,\) - случайная величина с равномерным законом распределения в интервале /
