Введение к работе
Актуальность работы. В последние 20 лет одним из перспектшшей-ших диапазонов электромагнитной шкалы, используемых для создания бортовых радиолокационных систем (БРЛС), является миллиметровый диапазон волн (ММДВ) Повышенный интерес к освоению этого частотного диапазона объясняется рядом его преимуществ перед диапазоном сантиметровых радиоволн в увеличении разрешающей способности по радиальным и угловым координатам при существенном уменьшении габаритов антенно-фндернм.ч трактов. Преимущества устройств ММДВ перед диапазонами оптической локации заключаются в их всепогодности и всесуточности при существенном улучшении их помехозащищенности от активных и пассивных помех.
Задача разработки и рационального построения неконтактных устройств ближнего действия нового поколения невозможна без анализа и синтеза характеристик бортовых активных радиолокационных систем (БРЛС) ММДВ на основе априорной информации о лоцируемых объектах в условиях сложной помеховой обстановки на фоне различных подстилающих поверхностей.
Аналогично, при разработке или модернизации внешнего облика собственно объектов локации (ОЛ) наиболее остро стоит задача оперативной оценки их радиолокационных характеристик, связанных либо с изменением формы объекта, либо с добавлением новых элементов конструкции или с оптимальным размещением радиопоглощающнх материалов (РПМ) па его поверхности. Поэтому одно из центральных мест в радиолокации занимала и занимает проблема априорного определения радиолокационных характеристик рассеяния (РЛХ) радиоволн квазиоптического (1,ч/\ > 1, L4 - размер пели, к - длина волны центральной частоты спектра) диапазона на объектах сложной пространственной конфигурации.
Для получения характеристик полей рассеяния (ПР) используют натурные измерения, физическое моделирование и методы математического моделирования с помощью ЭВМ. Проведение натурных измерений представляет собой технически сложную и дорогостоящую задачу. При физическом моделировании, когда используется модель цели уменьшенного размера, возникают, помимо технических сложностей изготовления масштабной модели, проблемы с обеспечением адекватных частотных условий облучения цели. Кроме того методы натурного и физического моделирования практически непригодны па ранних стадиях проектирования систем и объектов локации. .Поэтому перспективны расчетные методы анализа дифракционных полей, лишенные указанных недостатков.
Однако, использование исключительно расчетных методов анализа потенциальных характеристик БРЛС и РЛХ реальных целей зачастую ограничивается с одной стороны сложностью конструкции внешнего облика объекта
>
либо его отдельных элементов, а с другой - сложностью формализации задачи построения дифракционной модели входных сш налов БРЛС.
Опыт цифрового моделирования РЛХ объектов сложной формы показал, что в качестве основы для построения универсальной методики анализа и синтеза входных сигналов рационально использовать методику математического моделирования ПР радиоволн квазиоптического диапазона на объектах сложной пространственной конфигурации ратработанной Борзовым А.Г>.
Среди различных расчетных методов анализа дифракционных полей на объектах сложной формы естественного и антропогенного характера наиболее эффективным является "токовый" метод или метод физической теории дифракции. Согласно ему, ПР в любой точке пространства определяется как интерференция дифракционных полей, источниками которых являются токи возбуждения, распределенные на поверхности цели, которые в свою очередь определяются эвристическими методами. Тогда сигнал на выходе приемной антенны БРЛС можно представить в виде поверхностного интеграла с осциллирующим ядром от проекции вектора напряженности ПР в апертуре шпен-ны на вектор (векторы, в случае эллиптической поляризации) ее поляризации Таким образом, для синтеза входных сигналов радиотехнических систем БРЛС необходимо определять напряженность ПР от пели в апертуре приемной антенны па фоне различного рода подстилающих поверхностей.
В связи с тем, что реальные ландшафты (рельефы) и поверхность ОЛ имеют сложную пространственную конфигурацию, интегрирование источников дифракционных полей, как по поверхности ОЛ, так и по поверхности рельефа подстилающей поверхности, можно выполнить лишь численными методами.
Поэтому развитие расчетных методик и алгориімов, в основе которых лежат численные методы оценки интегралов по поверхности с произвольными границами от осциллирующих функций, является важной задачей, имеющей большое научное и практическое значение.
С другой стороны, как для реализации алгоритмов численного интегрирования, так и для выполнения топологических операций, ятя каждого участка поверхности необходима математическая (виртуальная) модель геометрического образа объекта локации. В случае подстилающей поверхности это детерминированная поверхность сложного рельефа со стохастическими свойствами в пределах малого (относительно Я) локально-шюскою участка, а в случае антропогенного объекта совокупность базовых примитивов алгоритмическим образом «состыкованных» друг с другом.
Практика разработки радиолокационных систем показывает, что наибольший интерес, как у разработчиков систем БРЛС, так и у разработчиков объектов локации вызывает методика моделирования дифракционных полей рассеяния радиоволн квазиоптического диапазона в ближней (волновой) зоне на объектах сложной пространствешшй конфигурации, включая различное
нзпеснос оборудование, на фоне различных подстилающих поверхностей для сигнала произвольного типа. При этом особенно важным является возможность анализа как отдельных дифракционных компонент в общем иоле рассеяния (компонента рассеяния на гладкой части поверхности, на острых кромках и т. п.), так и вклад отдельного элемента конструкции объекта локации. Именно эти моменты отсутствуют в известных расчетных методиках.
В качестве альтернативы методам математического моделирования для подтверждения основных параметров и характеристик БРЛС необходим экспериментальный этап, включающий изготовление макета с соответствующими параметрами зондирующего сигнала. Поэтому необходима разработка и проведение комплекса натурных измерений (исследований) рассеивающих свойств как объектов локации, так и различных помеховых образований (подстилающие поверхности, помехи, и т. п.), которые подтвердили бы правильность разработанных концепций и расчетных методик. Кроме того, в результате экспериментальных исследований необходимо подтверждение на макетном образце основных потенциальных характеристик БРЛС. Особое внимание в экспериментальных исследованиях необходимо уделить использованию дополнительных селективных признаков объекта сложной формы на фоне подстилающей поверхности. В частности, такому признаку, как степень деполяризации зондирующего сигнала.
Поэтому развитие моделей и алгоритмов математического моделирования полей рассеяния коротких радиоволн на объектах сложной формы естественного и антропогенного характера для решения прикладных задач радиолокации является исключительно актуальной задачей.
Целью данной работы является анализ входных воздействий бортовых радиолокационных систем обнаружения объектов локации сложной пространственной конфигурации на фоне подстилающей поверхности.
Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач, составляющих основные этапы диссертационного исследования: О разработка методик сквозного цифрового моделирования входных сигналов бортовых радиолокационных систем обнаружения объекта на фоне различных подстилающих поверхностей; анализ и синтез характеристик рассеяния объектов сложной пространственной конфигурации при самых общих условиях локации; анализ и синтез рассеивающих свойств подстилающих поверхностей; О анализ вкладов отдельных элементов конструкции обг,екта сложной формы в общее поле рассеяния; в анализ дополнительных селективных признаков объекта на фоне подстилающих поверхностей.
Методологической основой моделей и алгоритмов математическою моделирования входных воздействий бортовых радиолокационных сисіем
обнаружения объекта на фоне различных подстилающих поверхностей сл>-жат:
О аппарат аналитической геометрии в пространстве;
О машинная графика, вычислительная геометрия, геометрическое моделирование; элементы математической теории вращений;
О методы математической и физической теории дифракции коротких волн; 0 асимптотические методы оценок осциллирующих интегралов; О теория численного интегрирования;
О элементы теории вероятностей, математической статистики и случайных процессов.
Научная новизна полученных результатов, представленных в данной работе, состоит в следующем:
О Разработана методика сквозного математического моделирования входных сигналов бортовых радиолокационных систем обнаружения объекта на фоне различных подстилающих поверхностей; Разработана методика анализа рассеивающих свойств различных типов подстилающих поверхностей, позволяющих учитывать их деполяризующие особенности; Разработана полигональная модель рельефа сложной формы, адаптированная к решению электродинамических задач; О Разработана математическая модель дифракционных полей рассеяния в анергуре приемной антенны БРЛС ММДВ от объектов сложной пространственной конфигурации; Разработана методика оценки влияния отдельных элементов конструкции
объекта локации на формирование суммарного входного сигнала от цели; О Проведен анализ дополнительных селективных признаков объектов сложной формы на фоне подстилающих поверхностей как методами математического моделирования, так и в ходе оригинальных натурных измерении. Практическая значимость работы заключается в разработке прикладных мегоднк, ориентированных как на решение задач анализа и синтеза БРЛС, так и различных РЛХ объектов сложной пространственной конфигурации и подстилающих поверхностей произвольного рельефа.
Использование оригинальной методики синтеза полей рассеяния от обьсктов сложной формы на фоне подстилающей поверхности в апертуре приемной антенны КЦ, алгоритмов и комплекса программ, реализующих эти методики, позволяет заменить дорогостоящие и сложные натурные исследования значительно более дешевыми и удобными расчетами на ЭВМ. При этом необходима только разработка математической модели геометрического образа ОЛ но чертежам общего вида и рельефа сложной формы.
Достоверность результатов, получаемых с помощью разработанных расчетных методик, в значительной степени зависит от качества составления
геометрической модели объекта. Универсальный характер предлагаемых моделей и алгоріггмов позволяет их использовать без каких либо изменений п общих моделирующих системах анализа и оценки параметров БРЛС. Эи> делает возможным, используя ЭВМ, уже на ранних этапах разработки БРЛС и их элементов достаточно точно знать нх потенциальные характеристики при различных условиях функционирования.
С другой стороны, дифференциальные РЛХ ОЛ сложной формы, получаемые с помощью разработанных методик и алгоритмов, составляют основу критерия оптимальности размещения раднопоглощающнх покрытий при заданных условиях локации.
Реализация полученных результатов в промышленности. Результаты
работы были использованы на ПО "Старт", г. Заречный Пензенской области при составлении программ натурных испытаний ПТУР "Хризантема".
Методики и программы расчета характеристик рассеяния сложных целен внедрены в учебный процесс профилирующих кафедр Пензенского Госу-дарст пенного Университета.
Реализация результатов работы в промышленности подтверждается соответствующими актами.
Па защиту выносятся следующие основные результаты и положения:
О Полигональная модель рельефа сложной формы;
О Модели рассеивающих свойств различных типов подстилающих поверхностей, позволяющих учитывать их деполяризующие особенности;
О Методика сквозного математического моделирования дифракционных полей рассеяния в апертуре приемной антенны БРЛС ММДВ от объектов сложной пространственной конфигурации на фоне подстилающих поверхностей;
О Методика оценки влияния отдельных элементов конструкции объекта локации на формирование суммарного входного сигнала;
О Дополнительные селективные признаки объектов на фоне подстилающих поверхностей;
О Результаты математического моделирования и оригинальных натурных измерений.
Апробация работы на 17 международной конференции по применению миллиметровых волн в Харькове (сентябрь 1998 г.), па 7-ой международной конференции «Гиромагнитная электроника и проблемы Stelth» и Фнр-сановкс (ноябрь 1998 г.). Результаты работы докладывались на научно техническом семинаре кафедры "Автономных информационных и управляющих систем" Ml ТУ им. FI.Э.Баумана.
Публикации. Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 5 статьях и тезисах докладов. Подробное изложение проведенных исследовании содержится в 4-х научно-технических отчетах.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации составляет 183 страницы текста, 46 рисунков на 20 страницах и 10 таблиц. Список литературы включает 65 наименований
Похожие диссертации на Модели и алгоритмы анализа входных сигналов и полей бортовых радиолокационных систем
