авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Обеспечение радиолокационной селекции малоразмерных объектов терагерцовыми устройствами в зоне ответственности аэропорта

На правах рукописи

Ушаков Вадим Анатольевич ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СЕЛЕКЦИИ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ ТЕРАГЕРЦОВЫМИ УСТРОЙСТВАМИ В ЗОНЕ ОТВЕТСТВЕННОСТИ АЭРОПОРТА Специальность 05.12.14 Радиолокация и радионавигация.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012 2

Работа выполнена на кафедре «Технической эксплуатации радиоэлектронных систем воздушного транспорта» Московского государственного технического университета гражданской авиации

Научный консультант: доктор технических наук, доцент Акиншин Руслан Николаевич

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Быстров Рудольф Петрович Лауреат премии Правительства РФ, доктор технических наук, профессор Чесноков Юрий Сергеевич

Ведущая организация: ОАО «Центральное конструкторское бюро аппаратостроения», г. Тула.

Защита состоится _28_ февраля 2012 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 223.011.02 при Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу:

125993, г. Москва., Кронштадтский бульвар, д. 20.

Автореферат разослан 11 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук Д.В. Колядов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Основной задачей средств охранной сигнализации является своевременное обеспечение обнаружения и распознавания (классификации) одиночных и групповых малоразмерных объектов (человека и техники) на охраняемых объектах. Целью нейтрализации охранной системы в процессе несанкционированного воздействия, как правило, является попытка снижения её рабочей эффективности, а также частичное или полное разрушение охраняемого объекта.

Если площадь охраняемого объекта имеет большие пространственные размеры (до нескольких сотен метров, а иногда и больше), то для предупреждения о нарушении системы охраны в настоящее время применяются сейсмические и акустические приборы (датчики). Указанные датчики обеспечивают выдачу информации (сигналов) о факте появления объекта-нарушителя, что дает возможность для последующего обнаружения и распознавания его на определенных дальностях с помощью оптико-электронных средств. Однако необходимо отметить, что высокая эффективность такой системы обеспечивается, когда имеет место хорошая оптическая видимость. Если оптическая видимость низкая, когда появляются сильные туманы (дальность видимости – 20…50 м), дымовые или пылевые помехи, то эффективность оптической системы в значительной степени снижается, а иногда работа её просто срывается.

Опыт разработки и совершенствования технических средств обслуживания работы охранных систем показывает, что выполнение такой объемной задачи в условиях плохой оптической видимости невозможно без применения радиолокационных систем (датчиков), работающих в короткой части миллиметровых волн или даже в длинноволновой части СБММ волн.

Поэтому разработка моделей и методик обоснования и оценки параметров вновь создаваемых радиолокационных активных и пассивных устройств на охраняемых территориях (например, территории аэропорта) в условиях плохой видимости за счет применения техники более информационного терагерцового (ТГц) СВЧ диапазона (короткая часть миллиметровых и длинная часть СБММ) радиоволн своевременна и актуальна.

Такие устройства должны быть малогабаритными, иметь высокие разрешающие способности по дальности и угловым координатам, а также обеспечивать высокий уровень вероятности правильного обнаружения (распознавания) наземных объектов.

Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования позволяют заключить, что такими радиотехническими системами обнаружения малоразмерных объектов с высокой вероятностью и в условиях плохой оптической видимости могут быть радиолокационные датчики (РЛД) (системы) миллиметрового диапазона (ММД) радиоволн. Особое место здесь занимают радиолокационные системы (РЛС), работающие в короткой части ММД радиоволн, которые по многим основным параметрам такой техники более эффективны по сравнению с РЛС, работающих в длинноволновой части ММД и тем более в сантиметровом диапазоне.

Поэтому разработка методического аппарата обоснования основных принципов построения и параметров радиолокационных устройств, работающих в новом более информативном ТГц диапазоне радиоволн, используемых на охранных территориях в условиях плохой оптической видимости, является актуальной научной задачей.

Актуальность задачи исследования обусловлена:

- необходимостью дальнейшего совершенствования РЛД, построенных на базе радиолокационных устройств, работающих в новом более информативном ТГц диапазоне радиоволн;

- обеспечением обнаружения и распознавания (классификации) одиночных и групповых малоразмерных объектов (человека и техники) в зоне ответственности аэропорта;

- необходимостью разработки математических моделей, методов и алгоритмов, обеспечивающих возможность оперативного решения оптимизационных задач в процессе создания перспективных и совершенствования существующих РЛД.

Целью работы является совершенствование радиолокационных устройств с автоматизированным управлением за счет применения техники ТГц диапазона радиоволн, обеспечивающего высокие вероятности обнаружения и угловые точности пеленгации наземных объектов в условиях плохой оптической видимости.



Объектом исследования являются РЛД обнаружения малоразмерных наземных объектов в ТГц диапазоне радиоволн.

Предметом исследования является совокупность алгоритмов, моделей и методик, используемых при разработке и совершенствовании РЛД за счет применения техники ТГц диапазона радиоволн.

Поставленная цель достигается решением следующих задач, составляющих основные этапы исследования:

1. Анализ особенностей распространения радиоволн в ТГц диапазоне радиоволн и оценка потенциальных возможностей техники миллиметрового и СБММ диапазонов радиоволн в условиях плохой оптической видимости.

2. Анализ технических возможностей современных технических средств, применяемых в ТГц диапазоне радиоволн, для обнаружения наземных объектов и путей повышения эффективности функционирования охранных систем.

3. Разработка методик и математических моделей РЛС для оценки эффективности комплексных автоматизированных систем контроля в зоне ответственности.

4. Обоснование основных требований к активным и пассивным РЛД обнаружения наземных объектов и оценки основных энергетических параметров активных РЛД обнаружения наземных объектов с учетом размещения их на различных высотах.

5. Разработка алгоритма последовательного обнаружения радиолокационных объектов по корреляционным свойствам их поляризационных параметров и оценка эффективности РЛД обнаружения наземных объектов.

6. Разработка варианта блок-схемы пассивно-активного радиолокационного датчика (РЛД-ПА) и обоснование основных параметров РЛД-ПА обнаружения объектов.

7. Обоснование математических моделей РЛС применительно с оценкой информационных возможностей активных, пассивных и активно-пассивных РЛД.

8. Разработка схемных вариантов структурного построения и выбор параметров РЛД обнаружения наземных объектов.

Методы исследований. При решении поставленной в диссертации научной задачи использовались методы статистической радиотехники, искусственного интеллекта, методы построения математических моделей, проектирования и оптимизации структур информационных систем, методы корреляционно регрессионного и факторного анализа выборочных экспериментальных данных.

Научная значимость и новизна работы заключается в том, что впервые разработаны методические положения по обоснованию принципов построения и основных параметров РЛД в ТГц диапазоне радиоволн для обнаружения и пеленгации объектов с высокой вероятностью для решения охранных задач в условиях плохой оптической видимости с автоматизированной передачей информации.

В рамках научной задачи, решаемой в работе, получены следующие результаты, имеющие научную новизну:

1. Разработана методика и математические модели РЛС для оценки эффективности комплексных автоматизированных систем контроля в зоне ответственности аэропорта, имеющих в своем составе в качестве источников информации активные и активно-пассивные РЛД ТГц СВЧ диапазона, где в качестве показателей выбраны два критерия - количество информации радиолокационного канала и уровень возможных потерь информации в радиолокационном канале, с помощью которых сделана оценка эффективности информационных возможностей РЛД.

2. Разработана математическая модель и методика оценки основных энергетических параметров активных РЛД обнаружения наземных объектов, с учетом размещения их на различных высотах (от 2 до 30 м) для равнинной и холмистой местности, которые позволяют определить дальность действия системы и вероятностные показатели в процессе обнаружения и сопровождения объекта, в условиях плохой оптической видимости.

3. Разработан алгоритм последовательного обнаружения радиолокационных объектов по корреляционным свойствам их поляризационных параметров и проведена оценка эффективности РЛД обнаружения наземных объектов.

4. Предложен вариант блок-схемы РЛД-ПА и обоснованы основные параметры РЛД-ПА обнаружения объектов (рабочий диапазон 1,3 мм;

дальность действия по неподвижному объекту (автомашина) до 1 км и движущемуся до 3 км), оценка эффективности которого показала, что новый РЛД позволяет в секторе поиска 30° обнаружить в условиях плохой оптической видимости открыто расположенных объектов на дальности до 3 км не менее чем 50%, а замаскированных на дальности 1,5 км до 35…40 %.

5. Обоснованы математические модели РЛС (как метрических) применительно к обработке информации активных, пассивных и активно-пассивных РЛД, где в качестве показателей выбраны два критерия: количество информации радиолокационного канала и уровень возможных потерь информации в радиолокационном канале, с помощью которых сделана оценка эффективности информационных возможностей РЛД.

6. Разработаны схемные варианты структурного построения и выбор параметров РЛД обнаружения наземных объектов.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, вытекает из корректной постановки задач исследований, обоснованности применяемых математических методов и обеспечивается проведением расчетов на ЭВМ с контролируемой точностью;

подтверждается сопоставлением аналитических и численных результатов, совпадением их с известными решениями, в том числе, с экспериментальными данными и ранее реализованными на практике рекомендациями для частных случаев.

В рамках поставленной в работе научной задачи решается ряд частных исследовательских задач, при этом на защиту выносятся следующие положения:

1. Методическое обеспечение и результаты исследований распространения миллиметровых радиоволн в условиях плохой оптической видимости (гидрометеоры и пыледымовые помехи).

2. Математическая модель и методика для обоснования требований к РЛД, обеспечивающим выполнение задач обнаружения малоразмерных объектов в условиях плохой оптической видимости.

3. Результаты оценки потенциальных возможностей применения ТГц диапазона радиоволн в РЛД, работающих как в активном, так и пассивном режимах.

4. Модели и методики оценки основных параметров и эффективности РЛД обнаружения малоразмерных наземных объектов.

5. Схемные варианты структурного построения и предложения по техническому облику РЛД в ТГц диапазоне радиоволн в условиях плохой оптической видимости.

Практическая ценность работы диссертационной работы определяется тем, что предложенный методический аппарат доведен до логического завершения в виде алгоритмов и программ для оценки параметров функционирования РЛС обнаружения объектов в условиях плохой оптической видимости. Результаты работы реализованы в технических заданиях на НИОКР при разработке радиолокационной техники обнаружения и целеуказания.

Реализация полученных результатов. Разработанные методики, математические модели и алгоритм совершенствования радиолокационных устройств с автоматизированным управлением за счет применения техники терагерцового диапазона радиоволн использованы при совместном с ОАО «Центральное конструкторское бюро аппаратостроения» (г. Тула) проведении НИР «Шелкопряд» (2007…2008 гг.);





компоненты программного обеспечения использованы в учебном процессе Тульского артиллерийского инженерного института по кафедре «Радиолокационное вооружение».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались, обсуждались и одобрены на заседаниях ученого совета и кафедры «Радиолокационное вооружение» Тульского артиллерийского инженерного института;

научно-технических конференциях Тульского государственного университета (2009, 2010 гг.);

научно-технических конференциях Тульского артиллерийского инженерного института (2008, 2009, 2010 гг.);

на XIX и XXI Всероссийской межвузовской научно-технической конференции (г. Казань);

VII Научно-технической конференции Российской академии ракетных и артиллерийских наук (г. Пенза);

в 3 Центральном научно-исследовательском институте Министерства обороны Российской Федерации.

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 10-ти печатных работах, в том числе в 5-ти в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для публикации основных научных результатов на соискание ученой степени кандидата наук и патент на изобретение Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 149 страниц печатного текста, содержит 64 рисунка и 46 таблиц. Список литературы включает 106 наименований.

Содержание работы.

Во введении обосновываются важность и актуальность работы, определяется цель и основные задачи исследований, раскрывается научная новизна и практическая ценность полученных результатов, формулируются выносимые на защиту положения и дается краткий обзор содержания работы.

В первой главе представлены результаты анализа возможностей техники обнаружения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов радиоволн.

Представлены результаты исследований условий распространения радиоволн в гидрометеорах и распространения радиоволн субмиллиметрового (СБММ) диапазона волн в пыледымовых помехах, а также отражательных характеристик наземных объектов. Анализ результатов применения миллиметрового и СБММ диапазона радиоволн в РЛС обнаружения показывает, что для повышения разрешающей способности по угловым координатам, помехоустойчивости и скрытности таких систем обнаружения наземных объектов на малой дальности применительно к системам охраны целесообразно переходить к использованию ТГц (=0,88…1,3 мм) диапазона радиоволн.

Исследование молекулярного поглощения в атмосфере и в условиях плохой оптической видимости (гидрометеоры и пыледымовые помехи) в ТГц диапазоне радиоволн позволило сделать следующие выводы.

1. Особенностями распространения радиоволн в атмосфере, в том числе и в гидрометеорах (дождь, туман, снег) является то, что в ТГц диапазоне имеется целый ряд участков спектра (1,3 мм;

0,98 мм и 0,88 мм), где ослабление позволяет использовать эти участки спектра в радиолокации малой дальности действия.

Удельные эффективные поверхности рассеяния (ЭПР) в ТГц диапазоне радиоволн оказываются в 2-10 раз больше, чем в ММД радиоволн. Максимальное значение ослабления в дождях имело место на волнах в районе 0,88 мм.

2. При распространении радиоволн может возникать различие в ослаблении вертикальной и горизонтальной поляризации излучения. Экспериментально установлено, что увеличение ослабления в дожде при горизонтальной поляризации не превышает 10% и должно приниматься во внимание лишь при достаточно протяженных трассах. Для работы различных наземных систем в диапазонах ТГц радиоволн необходимы сведения о пространственной и временной интенсивности дождя.

3. Статистический подход определения ослабления в дождях для средней полосы европейской территории России показывает, что на основании расчетов и многолетних данных о вероятности выпадения дождей различной интенсивности получена статистика ослабления излучения в ТГц диапазоне. При интенсивности дождя 5 мм/ч (дождь средней интенсивности) ослабление радиоволн 3…5 дБ/км. В средней части Европы дожди с интенсивностью свыше 5 мм/ч появляется в течение 0,15 % времени дождей года, а вероятность появления дождей с интенсивностью меньше 5 мм/ч из всего количества дождей года составляет 0,75.

4. Ослабление в туманах в ТГц диапазоне волн при водности 0,1 г/м3, по сравнению с дождями, невелико и не превышает 2 дБ/км.

5. Ослабление излучения в снеге не поддается строгой теоретической оценке.

Однако известно, что оно примерно вдвое меньше, чем в дождях с интенсивностью менее 5 мм/ч.

Промежуточное положение ТГц диапазона между оптическим и радиодиапазоном волн определяет возможности и перспективы использования этих волн для создания РЛД (например, в охранных системах для дальностей до сотен метров (300…500 м) этот диапазон может вполне успешно применяться).

В работе приводятся результаты исследований распространения волн короткой части ММД (длина волны =1,3 мм) и длинноволновой части СБММ (длина волны =0,98 мм) диапазонов в дымах и пылевых помехах в сравнении с оптическим диапазоном.

Показано, что ослабление исследуемых радиоволн в дымах военно химических смесей с оптической дальностью видимости до S=2 м не превосходит величины 0,1 дБ /км. Ослабление СБММ и миллиметровых волн в дымах военно химических смесей при указанных выше плотностях задымления трассы практически отсутствует.

Результаты измерений ослабления радиоволн в пылевых помехах показали, что при появлении пылевого облака на трассе сколько-нибудь заметного ослабления сигнала не наблюдалось. Оценка величины ослабления СБММ и коротковолновой части миллиметровых волн, [дБ/км], проведенная в соответствии с выражением:

m2 1 m2 8 4 2 (1) = 4,34 x r 4 x J m 2 r N, 3 m2 + 2 m + 2r где r - радиус частиц дыма (r, где – длина волны);

х = ;

т- комплексный показатель преломления отдельной частицы, показала, что при указанной плотности запыления трассы частицами пыли с характерными радиусами r 10-5 см, величина его не превышает 1 дБ/км.

Проведенный анализ особенностей распространения радиоволн показывает, что применение РЛ устройств ТГц диапазона (в районах волн 1,3 мм;

0,96 мм и 0,88 мм), где ослабление не достаточно велико, для малых дальностей действия радиотехнических систем (до 1000 м) вполне пригодно. В указанных “окнах прозрачности” средние значения затухания в течение времени года с вероятностью 0,8 не превышают значения соответственно: 2…3 дБ/км;

10 дБ/км и 8,5 дБ/км.

Итоговые результаты анализа распространения радиоволн ТГц диапазона в чистой и замутненной атмосфере представлены на рисунке 1.

Для проектирования радиолокационных средств обнаружения наземных объектов требуется знание характеристик отражения как самих малоразмерных объектов (машина, человек), так и подстилающих поверхностей.

Практический интерес представляют результаты расчетов и измерений ЭПР в миллиметровых и СБММ диапазонах радиоволн движущихся и неподвижных объектов. В качестве исследуемых объектов нами использовались автомобильная техника, люди. Результаты измерений ЭПР во время движения техники со скоростью 20 км/ч приведены в работе.

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

- для подвижных объектов на длинах волн меньше 3 см ЭПР незначительно возрастают, имеют тот же порядок, что и в сантиметровом диапазоне радиоволн.

Так, с вероятностью 0,9 в короткой части ММД радиоволн (3,3 мм) среднее значение ЭПР бронированного объекта 10 м, а на длине волны 8 мм – 9 м;

- для таких подвижных объектов, как человек или группа людей дальность действия по ним в сравнении с автомобильной техникой снижается примерно в 3…4 раза;

- в ТГц диапазоне радиоволн появляется возможность обнаружения неподвижной техники с работающим двигателем (в значительной степени увеличиваются, не менее чем до 30 дБ, амплитудные пульсации отраженного сигнала);

- при обнаружении неподвижных объектов на фоне подстилающей поверхности РЛС в ТГц диапазоне радиоволн имеют преимущество перед системами сантиметровых и миллиметровых диапазонов волн за счет более высокого значения радиоконтраста.

Поскольку в качестве РЛД охранных систем предполагается использование также пассивных систем, то в работе проведен анализ характеристик радиоизлучения наземных объектов. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили сделать следующие выводы.

1. При малых углах визирования контрасты наземных объектов на расстояниях до 1 км на длинах волн 2 мм и 3 мм, при различном состоянии подстилающей поверхности, имеют значения от единиц до десятков градусов, и на вертикальной, и на горизонтальной поляризациях у них одинаковый порядок.

2. Наблюдаются различия в характере распределения уровней радиоконтрастов (РК) наземных объектов на различных длинах волн. Полученные распределения РК объекта в 2 мм и 3 мм диапазонах показывают, что максимальные значения РК не превышает 80…90 К (рисунок 2), причем абсолютные значения РК объекта на длине волны 3 мм существенно (в 1,5…2 раза) превышают значения, полученные на волне 2 мм.

Рисунок 1 - Кривые распространения радиоволн ТГц Рисунок 2 - Максимальные диапазона в чистой и замутненной атмосфере: сплошные значения радиоконтрастов линии – затухание в чистой атмосфере и кислороде;

наземных объектов на различных штриховая линия – затухание в тумане с видимостью до длинах волн 200 м;

штрихпунктирная линия - затухание в дождях средней интенсивности, 5 мм/ч;

штриховая линия с крестиками - затухание в пыледымовых помехах 3. Металлические объекты при наблюдении их под углами наблюдения набл= –25…30° характеризуются устойчивым отрицательным РК, примерно в 1,5 раза большим, чем при наблюдении этих же объектов при малых углах наблюдения набл= 0…1,5°.

4. При движении объекта со скоростью 15 км/ч сигнал уменьшался примерно на 25%, а при скорости 25 км/ч уменьшался в 2 раза по сравнению с сигналом от неподвижного объекта.

5. Применение маскировочных средств и многослойных дымовых завес несколько ослабляет РК объекта.

6. Отмечается достоинство пассивного радиовидения в диапазоне волн 1 и 2 мм, заключающееся в легком узнавании наблюдаемых объектов, в отличие от активной локации, где объект выглядит как хаотическая система блестящих точек.

На основе анализа возможных вариантов технического оснащения современных охранных систем в работе обоснованы основные требования к РЛД обнаружения наземных объектов на охраняемых территориях в условиях плохой оптической видимости:

для обеспечения более эффективной работы охранных систем, и в частности, при обнаружении и распознавании объектов-нарушителей на небольших дальностях действия (до 500…600 м) и в условиях плохой оптической видимости РЛД должны иметь высокое разрешение по дальности и угловым координатам;

используемые диапазоны длин волн РЛД в зависимости от дальности наблюдений могут быть: для дальностей несколько сотен метров - в короткой части миллиметрового (длина волны в окнах: 1,3;

2 и 3 мм) и при маленьких дальностях (менее 50-100 м) в длинноволновой части СБММ (длина волны в окнах: 0,88 мм и 0,96 мм);

обеспечивать дальности действия в зависимости от статуса охранной системы в пределах от 50 до 500…600 м, но не превышать величины - 1 км, и разрешающие способности по дальности для малоразмерных объектов в пределах 1…3 м (длительность импульса должна быть ~50нс);

при этом для объектов - начиная от малоразмерных (человек, автомат-робот) и до наземных транспортных средств (легковой и грузовой автомобиль), определение направления движения объекта;

обеспечивать обнаружение объектов как малоподвижных (в том числе и неподвижных), так и движущихся;

сектор обзора площадного участка со стороны охраняемого параметра на дальности до 1000м по азимуту должен быть в пределах 60° (±30°) и по углу места от +5° до - 30°;

требуемое угловое разрешение РЛС при обзоре на дальностях до 1000 м в пределах 3,5 д.у. (15'), что соответствует линейной разрешающей способности не более 3,5 м ( на дальности 500 м – линейная разрешающая способность 1,5…2 м);

обнаруживать наземные объекты на фоне земной поверхности с высокой вероятностью (не ниже 0,9) при вероятности ложной тревоги 10-6 при любых погодных условиях, включая дожди интенсивностью до 16 мм/ч.

Вторая глава посвящена методам моделирования функционирования и оценки параметров и эффективности активных РЛС обнаружения наземных объектов. Были разработаны ряд математических моделей и соответствующие методики. Для получения результатов моделирования разработано программно алгоритмическое обеспечение. На основе моделирования производится оценка потенциальных возможностей применения ТГц диапазона радиоволн в РЛД, работающих как в активном, так и пассивном режимах, определяется их эффективность, а также предлагается схемный вариант построения типовой РЛС такого класса.

Анализ результатов последних работ по радиолокационной технике позволяет заключить, что в качестве типовых РЛД могут быть системы, работающие как в активном, так и пассивном режиме. В отдельных случаях могут применяться и скомплексированные системы – пассивно-активные, когда обнаружение объекта производится в пассивном режиме, а для определения дальности и скорости движения объектов может применяться на короткое время активный режим. Такие системы находят широкое применение для обнаружения неподвижных (замаскированных и укрытых) объектов.

В качестве активного РЛД (РЛД-А) была рассмотрена РЛС обнаружения наземных объектов - РЛД-А с дальностью действия 500…700 м.

Для оценки энергетических возможностей активных РЛД-А обнаружения наземных объектов была применена классическая формула определения дальности действия любой РЛС, Do, которая через значение мощности передатчика, Рпер, была преобразована в следующем виде:

4 Рпр. min Dо 0,2 D (2) a o, = Рпер АэфL о где Рпр.min – чувствительность приемника;

Аэф – эффективная площадь антенны;

L – коэффициент потерь в волноводном тракте и за счет неоптимальности обработки сигнала;

о – ЭПР объекта;

а – коэффициент ослабления радиоволн в атмосфере.

Для инженерной оценки энергетического потенциала РЛС обнаружения наземных объектов в миллиметровых и ТГц диапазонах радиоволн на основе зависимости (2) определена специальная инженерная модель. Проведенные расчеты показали, что на длине волны 1,3 мм можно реализовать дальность действия движущихся наземных объектов в благоприятных условиях до 3,5 км и в неблагоприятных условиях (дождь средней интенсивности) до 2-2,5 км как в дневных, так и в ночных условиях. На длине волны 0, 88 мм эти дальности снижаются в 5…8 раз.

Для обнаружения объектов, движущихся со скоростью менее чем 1…1,5 км/ч, как известно, метод допплеровской селекции является неэффективным.

В то же время установлено, что для автомобиля характерно наличие «блестящих» точек с ЭПР от 0,02 до 0,2 м. Это дает принципиальную возможность обнаружения и измерения координат медленно движущихся объектов за счет увеличения разрешающей способности по дальности до 0,5 м или поляризационных характеристик.

В работе был предложен алгоритм обнаружения по выборочному коэффициенту корреляции ортогонально-поляризованных компонент сигнала в j-ом n (E E1 )(E 2 i E 2 ) 1i периоде, (3) i = rj = 1/ n n (E1i E1 ) (E 2 i E 2 ) i =1 i = где Ei – i-ое значение поляризационного параметра.

Критерием качества последовательного правила выбора решения при заданных ошибках является минимум среднего значения размера выборки, необходимой для принятия решения. Оптимальный алгоритм обнаружения в этом случае сводится к сравнению логарифма оптимального приемника с двумя порогами Сi, i=1,2. Алгоритм обнаружения цели был получен в виде F (1/ 2,1/ 2, n 1/ 2;

1/ 2(1 + 1r ji )) H 3 k 1 1rji k n ln1 r + ln 2 1 L 2 F ( / 2,1/ 2, n 1/ 2;

/ 2( + 2 r ji )) H 2 j =1 11 2 ji j = (4) 1 k (n 1) ln 1 2 = C 2 где i = 1, m;

j = 1, k.

Устройство, реализующее алгоритм (4), может быть в общем случае т канальным, где т - число просматриваемых элементов дальности. После вычисления rji в соответствии с соотношением (4), для каждого l-го элемента дальности, нелинейной обработки полученной величины, осуществляется накопление результата по и периодам обзора и сравнение его с порогом.

Соотношения, приведенные выше, являются основой для получения распределения длительности процедуры последовательного распознавания цели с априорно известными параметрами п, р1, р2 при гипотезах Н1, Н2.

После ряда формальных преобразований с использованием табличных интегралов, независимое приближение распределения длительности последовательной процедуры распознавания для гипотез Н1 и Н2 запишется в виде:

k ][ ] [ W(k / Hi,2 ) = 1 Fk (C1 / Hi,2 ) + Fk (C2 / Hi,2 ) F j (C1 / Hi,2 ) F j (C2 / Hi,2 ), (5) j = k (n 1) ln 1 12 ln 1 p C1 (H1,2 ) = где (6) (n 3 / 2) 2 1 2 1 p k 1 p 1 C2 (H1, 2 ) = (n 1) ln ln - переменные пороги, зависящие от (n 3 / 2) 2 1 2 1 p параметров условных распределений классов р1, р2, ошибок первого и второго рода и номера периода зондирования;

F (Ci / H j ) - интегральная функция распределения k логарифма оптимального приемника, i,j=1,2.

Оценка помехоустойчивости РЛС обнаружения проводилась по аналогии с другими СВЧ диапазонами, в которых такие станции существуют.

Мощность помехи Рп на входе приемника РЛС определялась по зависимости:

( п) ( п) 2 ( п) (7) Р пер G пер G пр L Lkf 0,1 а Da Рп = 4Dп ( п) п) где P(пер – мощность передатчика помех;

G пер,G пр – коэффициенты усиления антенн станции помех и РЛС соответственно;

L(n), L – потери в трактах станции помех и РЛС;

kf – множитель потерь на расширение полосы, необходимой для определения частоты подавляемого сигнала.

Результаты исследований показали, что имеется явное преимущество в помехоустойчивости РЛС ТГц диапазона по сравнению с РЛС, работающими в диапазоне длин волн 8 мм.

Проведенные исследования позволили обосновать основные параметры РЛД-1А, -2А и -3А, работающих в ТГц диапазоне и на длине волны 2,15 мм, а также определить вариант их общего облика и функциональной блок-схемы.

Анализ материалов результатов зарубежных и отечественных исследований схемных вариантов РЛС обнаружения малоразмерных наземных объектов в ММД волн (в том числе и в его короткой части) позволяет предложить типовой вариант блок-схемы РЛД в следующем виде, показанном на рисунке 3. На рисунке сокращения означают: Упр. – управление;

УК – угловые координаты объекта;

Vr – радиальная скорость движения объекта;

АЦП – аналого-цифровой преобразователь;

ЦП – цифровой преобразователь.

В диссертации разработана модель функционирования и оценки эффективности РЛД-А обнаружения наземных объектов.

В основу математической модели положен метод, смысл которого выражается зависимостями:

W = F (Xi, …, Xm;

Yj, …, Yn), Q = Fk (Xi, …,Xm;

Yj, …,Yn) Qk, (8) K = 1,2, …, p, где W - критерий эффективности;

Xi, i=1, …,m - управляемые переменные;

Yj, j=1,…,n - неуправляемые переменные или случайные воздействия;

Qk, k=1,…,p-функции, описывающие ограничения.

Рисунок 3 - Блок-схема РЛД Предполагая, что все исследуемые РЛД-А обнаружения применяются для обнаружения как групповых, так и одиночных объектов, математические зависимости (8) были представлены в виде частных критериев:

I c iM { Nо.i}, (9) i = Wi = I CiNi i = I I CiM { Ncp } CiNiWcp.i (10) i =1 = i =1, Wcp = I I CiNi CiNi i =1 i = где Wi - вероятность обнаружения объекта;

Wср - вероятность обнаруженных объектов и определения его координат;

M{Nо.i} - математическое ожидание числа обнаруженных объектов i-го типа из числа, находящихся в зоне наблюдения;

Сi весовой коэффициент, характеризующий важность объекта i-го типа.

Алгоритм функционирования РЛС, включая формализованное описание процессов поиска и обнаружения объектов, а также вторичной обработки радиолокационной информации реализован в программах. С этой целью была разработана упрощенная блок-схема варианта математической модели, представленная на рисунке 4.

Разработанная математическая модель позволила провести оценку эффективности РЛС при выполнении требуемых задач контроля в секторе обзора по критерию обнаружения объекта Wi.

В результате обработки реализаций процесса функционирования РЛД обнаружения были построены зависимости относительного количества обнаруженных объектов с определением координат – Wср в зависимости от дальности действия станций.

Рисунок 4 - Упрощенная блок-схема варианта математической модели Такие зависимости в виде графиков функции Wср=f(Д) представлены на рисунке 5, где под номером 1 приведены кривые для РЛД-2А, а под номером 2 – для РЛС СБР-3 (находящаяся в эксплуатации станция с дальностью действия до 3 км и работающая в короткой части сантиметрового диапазона радиоволн). Здесь же сплошные линии для условия равнинной местности и с крестиками для холмистой местности.

Анализ результатов оценки функциональной зависимости Wср = f(Д) показал, что значения относительного количества обнаруженных объектов с определением координат примерно на 10…15% ниже. Это объясняется тем, что для точного определения координат объектов требуется более длительное накопление отраженного сигнала и требуется дополнительное время на его обработку. Также можно видеть, что использование РЛД-2А повышает вероятность обнаружения наземных объектов в сравнении с РЛС типа СБР дальностях до 3-х км от 20 до 40%.

Однако, необходимо заметить, что поисковые характеристики РЛС типа СБР в сравнении с РЛД отличаются в лучшую сторону.

Обнаружение различных объектов без облучения производится по их радиотепловому излучению с использованием пассивного радиолокационного устройства (ПРЛУ), включающего в себя радиометрический приемник и антенную систему, что обеспечивает помехоустойчивость и скрытность локационной системы.

Поэтому в данной работе путем математического моделирования исследуются основные параметры и эффективность пассивных и пассивно-активных РЛС (РЛД-П и РЛД-ПА) обнаружения наземных объектов. Исследовались особенности применения в пассивных радиолокационных устройствах обнаружения наземных объектов короткой части миллиметровых и ТГц диапазонов радиоволн. Были обоснованы основные параметры пассивных и пассивно-активных датчиков (РЛД-П и РЛД-ПА), а также на основе моделирования проведена оценка эффективности таких датчиков.

Одним из основных требований к РЛД-П является дальность действия, которую можно определить с помощью преобразованной к удобному виду для расчетов формулы дальности пассивной радиолокации:

(11) ТоSoG. 0,005D max, Dмах = 4.qmTпр. min где То – величина радиоконтраста объекта;

So – площадь объекта;

G – коэффициент усиления антенны;

qm – коэффициент различимости, учитывающий превышение сигнала от объекта на чувствительностью ПРЛУ;

Тпр.min – флуктуационная чувствительность приемника.

Рисунок 5 - зависимости в виде графиков Рисунок 6 - Зависимости флуктуационной функции Wср=f(Д) чувствительности пр.min от дальности действия РЛД-ПА при обусловленной апертуре антенны dа Были проведены расчеты дальности действия РЛД-П по объекту типа грузовой автомобиль. Расчеты проводились для чувствительности приемника Tпр.min = 0,1 К (что соответствует чувствительности существующих приемников), диаметр антенны принимался равным 1000 мм и 100 мм и для летних, и для зимних условий.

Из графиков видно, что наиболее приемлемым, с точки зрения получения большей дальности действия, является диапазон с длиной волны 3 мм, где дальность обнаружения ПРД-П с диаметром антенны 1000 мм могут достигать значений 3–5 км.

Для РЛД-П в ТГЦ диапазоне с диаметром антенны 100 мм дальности действия могут быть в пределах нескольких сотен метров. Такие дальности вполне отвечают требованиям по дальности действия РЛД-П в охранных системах.

Одним из основных достоинств пассивных устройств является скрытность его работы, а недостатком – сложность селекции объекта по дальности. В связи с этим наиболее целесообразно использование ПРЛУ в совокупности с радиолокационными дальномерами.

Была проведена оценка результатов исследований дальности действия РЛД ПА обнаружения наземных объектов, работающих в СВЧ диапазоне. Получено, что для таких систем (с дальностью действия до 1 км – в пассивном режиме работы и 1,5 км в активном режиме) может быть использован рабочий диапазон волн в «окнах прозрачности» коротковолновой части ММД радиоволн (длины волн 1,3 и 2,15 мм).

На длинах волн (0,96 и 0,88 мм) дальности действия снижаются примерно в 2- раза.).

На рисунке 6 даны графики зависимости флуктуационной чувствительности пр.min от дальности действия РЛД-ПА при обусловленной апертуре антенны dа.

Были определены основные параметры РЛД-ПА обнаружения объектов и предложен вариант альтернативной блок-схемы РЛД-ПА. Достоинством такой пассивно-активной системы является обеспечение высокой помехозащищенности.

Это достигается как за счет скрытности работы станции при пассивном режиме, так и за счет применения в РЛД-ПА короткой части ММД или в ТГц диапазоне.

Для оценки скрытности работы пассивно-активной РЛС проведена сравнительная оценка активной и пассивной РЛС по показателю, характеризующего вероятность обнаружения их средствами радиотехнического обнаружения (Робн.ртр).

Расчетные данные показывают, что РЛД-ПА при работе средств РТР в течение 1 часа может быть обнаружена с вероятностью (Робн.ртр)0,1, т.е. скрытность такой РЛС будет практически на порядок выше в сравнении с активной РЛС.

Таким образом, комплексирование пассивных РЛС с активными радиодальномерами позволит выполнить задачу измерения дальности до объекта, ее селекцию по дальности, а также появляется возможность существенного повышения помехозащищенности. Путем моделирования произведена оценка эффективности РЛД-ПА охранной системы.

В качестве критерия оценки эффективности РЛД-ПА выбрано математическое ожидание относительного количества своевременно обнаруженных незамаскированных (открыто функционирующих), Wнз, и замаскированных (малоподвижных), Wз, наземных объектов из общего числа находящегося в зоне поиска. Кроме того, для оценки эффективности модуля РЛД-А использовались дополнительно две модели, основанные на алгоритмах, разработанных в предположении рассмотрения, что функционирование РЛД-ПА проводится в двух основных режимах работы - раздельно в активном и пассивном.

Для получения исходных данных в модели по объектовой обстановке применяется пространственно-временная модель возможных эпизодов, так называемая модель обстановки в случае применения РЛД-ПА для обнаружения групповых объектов.

Оценка эффективности РЛД-ПА по предложенной модели показала, что в секторе поиска 30° возможно обнаружение относительного количества открыто расположенных объектов на дальности до 3 км до 50%, а замаскированных на дальности 1,5 км – 35…40 %.

В третьей главе исследуются информационные возможности РЛД-А и РЛД-ПА. Рассматриваются математические модели РЛС (как метрических систем) применительно к обработке информации, по их принципу действия разделенные на три основных вида: для активных РЛС, излучающих СВЧ сигналы;

для пассивных РЛС (радиометрических) систем, работающих на принципе приема радиотеплового (собственного) излучения от объекта;

для пассивно-активных (скомплексированных) РЛС, работающих в двух режимах активном и пассивном, конструкция которых в большей части базируется на большинстве общих СВЧ элементах.

В качестве показателей эффективности информативности РЛД приняты:

количество информации радиолокационного канала и уровень возможных потерь информации в радиолокационном канале.

С учетом сказанного, путем математических преобразований получена зависимость для определения предельного количества информации РК, J max, в следующем виде:

x i ki ( i ) dx i (12).

x m i log 1 + J = max µ k Е ( y i) k = где µk – коэффициент достоверности по параметру сигнала, ai;

Е (ai) – максимальное значение среднеквадратической ошибки оценки характеристики, хi;

х L, х диапазон значений характеристик хi;

x, a и y – символы, характеризующие 1 i, i, РК в области множеств объектов, сигналов и решений соответственно.

С помощью зависимости (12) сделана оценка предельного количества информации РЛД-А в различных диапазонах радиоволн, а также по отдельным параметрам, характеризующих функционирование объекта: дальность, скорость и угловым координатам (азимут, угол места).

Расчеты проводились в предположении к РЛС в диапазоне СВЧ на «конкурирующих» длинах волн 1 мм, 2 мм, 3 мм и 8 мм. В работе приведены параметры оцениваемых гипотетических РЛС в сравнении с РЛС, находящихся в эксплуатации.

На рисунке 7 для примера приведены графики зависимость количества информации РЛД-А, JD, от диапазона измеряемых дальностей (рисунок 7).

Полученные результаты позволили сделать вывод, что количество информации, представленное в логарифмическом масштабе, для РЛД-А, работающих в ТГц диапазоне может быть выше, чем в короткой части ММД радиоволн 5…10 раз.

Оценка уровни информационных потерь РЛС производилась при следующих предположениях.

Для нормальной работы РЛС при обнаружении сигналов в случае поступления с выхода приемника смеси сигнала и помехи используются автоматические обнаружители. Наибольшее распространение в современных РЛС нашли оптимальные, непараметрические, а также последовательные обнаружители.

Рисунок 7 - Графики зависимость количества Рисунок 8 - Оценки величины относительных информации РЛД-А, JD, от диапазона потерь информации ПРЛУ в процессе измеряемых дальностей обнаружения объекта на фоне мешающих излучений Проведенные расчеты позволяют сделать следующие выводы:

- для станций, работающих в ТГц и коротковолновой части ММД, потери информации в случае применения оптимального обнаружителя больше, чем для станций более длинноволнового диапазона;

- для неоптимального обнаружителя потери информации для РЛС обнаружения, работающих в ТГц и коротковолновой части ММД меньше, чем для оптимального, что объясняется тем, что для непараметрического обнаружителя величина вероятности ложной тревоги критична к изменениям отношения сигнал/шум, а, следовательно, использование непараметрических обнаружителей в РЛС обнаружения коротковолновой части ММД и для ТГц диапазонов является в значительной степени предпочтительным;

- в случае использования в РЛС непараметрических обнаружителей потери информации в РЛС обнаружения, работающих в ТГц и коротковолновой части ММД, в сравнении с длинноволновыми РЛС значительно меньше, а необходимая точность измерения отношения сигнал/шум может быть ниже, чем в случае использования в РЛС оптимальных обнаружителей.

Оценка информационных возможностей пассивных РЛС обнаружения наземных объектов также проводилась путем математического моделирования.

Для оценки величины относительных потерь информации ПРЛУ в процессе обнаружения объекта на фоне мешающих излучений, как и в случае применения активных РЛС, применялась полученная в виде:

qсш 1 1 Ф 1 Ф (13) qсш 2 2qсш, К ( qсш, ) = 1 0, где = ln q(o) + qcш – величина относительного порогового уровня приемного сш устройства, зависящая от соотношения априорных вероятностей отсутствия и наличия сигнала от объекта Р(О), Р(С);

qсш - отношение сигнал/шум.

По формуле (13) произведены расчеты, результаты которых в виде графика приведены на рисунке 8, из которого следует, что с увеличением отношения сигнал/шум более 10 величина коэффициента информационных потерь изменяется очень незначительно и практически находится на уровне 0,7. Это свидетельствует о том, что увеличение qсш свыше 10…15 Дб не дает увеличения информации об объекте.

В результате исследований, проведенных в работе, показано, что из всех современных методов, применяющихся для обработки радиолокационной информации, более предпочтительным является метод цифровой обработки. Этот метод удовлетворяет, предъявляемым в работе требованиям на всех этапах радиолокационного наблюдения: обнаружения, целеуказания, сопровождения и не только одиночных объектов, но и группы, с сохранением непрерывного обзора пространства. В таких системах первичная и вторичная обработка сигналов может быть полностью автоматизирована.

В заключении приведены основные результаты работы, указаны пути дальнейших исследований.

Основные результаты работы:

1. Проведен анализ технических возможностей современных средств сигнализации, применяемых для обнаружения наземных объектов, и обосновано новое направление развития радиотехнических средств систем охранной сигнализации в ТГц диапазоне радиоволн.

2. Проведен анализ особенностей распространения радиоволн в ТГц диапазоне радиоволн, выбраны рабочие участки и оценены потенциальные возможности элементной базы для РЛД обнаружения объектов в условиях плохой оптической видимости.

3. Исследованы отражательные и излучательные характеристики малоразмерных наземных объектов.

4. Обоснованы требования к активным и пассивным РЛД охранных систем (энергетические, точностные и вероятностные, а также массогабаритные характеристики).

5. Разработаны модели и методики оценки основных параметров активных РЛД-А при работе в условиях плохой оптической видимости и обоснованы основные параметры и предложен вариант структурной схемы РЛС в ТГц диапазоне.

6. Разработаны модели и методики оценки основных параметров пассивных и активно-пассивных РЛД-П и РЛД-ПА при работе в условиях плохой оптической видимости, обоснованы основные параметры и предложен вариант структурной схемы РЛД-ПА в ТГц диапазоне 7. Разработаны модели и проведена оценка эффективности активных и пассивных РЛД обнаружения и распознавания наземных объектов.

8. Методами моделирования исследованы информационные возможности (количество информации и уровни информационных потерь) активных и пассивных РЛД обнаружения наземных объектов в ТГц диапазоне радиоволн.

9. Проведен анализ и обоснованы предложения по методу обработки радиолокационной информации применения современных вычислительных средств с оценкой возможностей удовлетворения требований и потребностей в вычислительных ресурсах для решения задач обнаружения и контроля обстановки.

Основные положения диссертации изложены в опубликованных автором работах общим объемом текста 5,9 п.л.

Статьи, опубликованные в периодических научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования России для публикации основных научных результатов на соискание ученой степени кандидата наук:

1. Акиншин Р.Н., Ушаков В.А., Морозов Д.В. Методика оценки эффективности автоматизированных радиолокационных систем контроля в зоне ответственности // Научный вестник МГТУ ГА. - №168(6). -2011. -С.66-76.

2. Акиншин Р.Н., Ушаков В.А., Лихоеденко К.П. Алгоритм последовательного обнаружения радиолокационных объектов по корреляционным свойствам их поляризационных параметров // Научный вестник МГТУ ГА.№171(9). -2011. -С.37 40.

3. Акиншин Р.Н., Ушаков В.А., Морозов Д.В. Классификация радиолокационных объектов по их изображениям с использованием искусственных нейронных сетей нестандартного вида // Научный вестник МГТУГА. - №171(9). 2011. -С.33-37.

4. Акиншин Р.Н., Ушаков В.А., Лихоеденко К.П. Поляриметрические устройства формирования и обработки сигнала для селекции радиолокационных объектов// Научный вестник МГТУ ГА. -№171(9). -2011. -С.5-14.

Болдин А.В., Ушаков В.А. Оценка возможности повышения 5.

радиолокационного контраста поляризационными методами // Вестник ТАИИ.

Выпуск 3. - Тула: ТАИИ. -2011. -С.285-293.

Патент:

6. Акиншин Р.Н., Ушаков В.А. и др. Адаптивный управляющий контроллер защиты объекта//Патент на полезную модель РФ №108161, 26.04.2011г.

Статьи, тезисы, опубликованные в других изданиях:

7. Ушаков В.А. Обнаружение слабо отражающих наземных объектов // Сб.

научных трудов НТО РЭС им. А.С.Попова. - Тула: ТулГу. -2010. -С.99-112.

8. Акиншин О.Н., Ушаков В.А. Оценка спектральных амплитуд по оценке параметров квазидетерминированного сигнала // Сб. научных трудов НТО РЭС им.

А.С.Попова. -Тула: ТулГу.-2010.-С.61-63.

9. Ушаков В.А. Оценка характеристик обнаружения радиолокационного датчика // Сб. научных трудов НТО РЭС им. А.С.Попова.- Тула: ТулГу. -2010.

-С.11-15.

10. Ушаков В.А. Математическая модель оценки информационных возможностей пассивных РЛС обнаружения наземных объектов // Сб. научных трудов НТО РЭС им. А.С.Попова. - Тула: ТулГу. -2010. -С.63-65.

11. Ушаков В.А., Хомяков А.В., Кальной А.И. Моделирование матриц рассеяния пространственно-распределенных объектов //Материалы всероссийской конференции. -МИАС. -2011. -С.77-86.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.