Прогнозирование предельной эффективности радиотеплолокационных систем миллиметрового диапазона длин волн

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прогнозирование предельной эффективности радиотеплолокационных систем миллиметрового диапазона длин волн

Введение

радиотеплолокационный зондирование связь

Описывается метод прогнозирования эффективности радиотеплолокационных систем, основанный на связи радиотепловых контрастов объектов с контрастообразующей разностью температур и на данных о ее статистике в различных регионах.

Низкий потенциал радиотеплолокационных систем и систем радиометрического зондирования окружающей среды, а также сильная зависимость его в миллиметровом диапазоне от метеоусловий обосновывают постановку вопроса об эффективности работы упомянутых систем в тех или иных условиях. Этот вопрос неизбежно возникает при выборе средств решения задачи среди конкурирующих, при оптимизации рабочих диапазонов длин волн этих средств, при планировании технического обеспечения операций в новых регионах и т. д.

Оценивая эффективность, естественно, сначала не принимать во внимание технические отказы и ошибки операторов, т. к. это можно учесть отдельно. Поэтому в рассмотрении, не учитывающем такого рода отказы и ошибки, речь пойдет о предельно достижимой эффективности работы систем, определяемой количественно как вероятность существования таких внешних условий, при которых данные системы могут обеспечить заданный уровень выходных параметров, необходимый для решения задачи [1]. Для краткости ниже будем называть эту характеристику предельной эффективностью. Такая постановка предполагает, что алгоритм работы системы задан, и можно установить связь выходных параметров системы, как с характеристиками самой системы, так и с характеристиками объекта, по которому ведется работа, а также с условиями на трассе сигнала. Пользуясь этой связью, можно найти требующиеся уровни характеристик объекта и условий на трассе, а, зная эти уровни, оценить вероятность их существования в тех или иных метеоусловиях. Ключевым моментом такого подхода является наличие зависимости главной радиометрической характеристики объекта - его яркостного контраста - от характеристик атмосферы и фона, зависимости, позволяющей свести задачу о предельной эффективности к прогнозированию условий существования и переноса требующегося контраста к радиометру в течение года, сезона и т.д. Сравнительно просто она может быть установлена для металлических объектов (танк, бронетранспортер, вертолет и т.п.), если задана их геометрия и имеется модель радиометрической обстановки.

Чтобы проиллюстрировать возможность введения и полезность использования понятия предельной эффективности, ограничимся задачей радиометрического обнаружения упомянутых выше объектов, которая, представляя самостоятельный интерес, является еще и первоначальным этапом любых других задач пассивной локации (самонаведения, определения координат цели и т.п.), но в отличие от некоторых из них решение ее сводится к достижению необходимой величины единственного параметра - отношения сигнал / шум. Очевидно, что наибольшее значение этого параметра может быть достигнуто в случае работы обнаружителя на однородном фоне в режиме оптимальной фильтрации сигнала. Поэтому ниже мы остановимся на основных моментах оценки предельной эффективности именно в рамках этих предположений. При необходимости можно будет учесть и влияние фоновых неоднородностей.

Для решения поставленной задачи нам понадобится ввести радиометрическую модель объекта и фоновой обстановки и рассмотреть вопрос о возможности прогнозирования условий контрастообразования в различных физико-географических зонах. В заключение приведем пример оценки эффективности обнаружения танка с движущейся ракеты.

1. Обнаружение на однородном фоне

Напомним, что отношение сигнал / шум связано с усредненным по видимому контуру удаленного объекта его яркостным контрастом , с флуктуационным порогом чувствительности обнаружителя (постоянная времени 1 с), с отношением телесных углов объекта и главного лепестка диаграммы направленности приемной антенны () и с ослаблением сигнала на трассе длиной до объекта следующим соотношением:

где - коэффициент рассеяния антенны вне ее главного лепестка; t - время, отведенное на просмотр одного элемента пространственного разрешения; - множитель, зависящий от алгоритма работы системы, который при заданном алгоритме может быть вычислен в предположении оптимальной фильтрации сигнала.

Задавшись величиной , алгоритмом работы системы и ее конкретными параметрами, можно определить из (1) требующуюся величину ослабленного атмосферой контраста , а затем оценить вероятность ее существования в тех или иных конкретных условиях наблюдений, исходя либо из модельных представлений, либо из достаточно представительной совокупности эмпирических данных, связывающих контраст конкретных объектов с характеристиками атмосферы и подстилающей поверхности.

2. Радиометрическая модель объекта и фоновой обстановки

Радиоизлучение различных участков подстилающей поверхности и объектов складывается из их собственного теплового излучения и из переотраженного (рассеянного) излучения окружающей среды. Что касается металлических объектов, то их собственное излучение мало, а главная часть рассеянного определяется, прежде всего, излучением небосвода, которое в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах подвержено сильным погодным вариациям.

При заданной форме наблюдаемого объекта расчет величины его яркостного контраста с достаточной для практики точностью можно провести в приближении геометрической оптики, если заданы отражательно-излучательные характеристики объекта и распределение радиояркости окружающего его фона. Для описания излучения неба обычно пользуются плоскослоистой изотермической моделью атмосферы. Излучение же из нижней полусферы можно в зависимости от задачи смоделировать по-разному.

Так, еще в пятидесятых-шестидесятых годах прошлого столетия А.М.Стародубцевым были выполнены расчеты контраста корабля с использованием модели в виде набора плоских металлических листов различной ориентации, наблюдаемых на фоне гладкой диэлектрической поверхности под разными углами визирования. В [2] были получены (в двух поляризациях) зависимости эффективных температур и яркостных контрастов металлических объектов сложной конфигурации от угла визирования с использованием их моделей в виде идеально отражающих плоскости, параллелепипеда, полусферы и плоской прямоугольной площадки с выпуклой полусферой посредине[1] - тоже на фоне гладкой подстилающей диэлектрической поверхности, а также шара, поднятого над ней.

Для приближенного описания контрастов объектов весьма сложной формы на фоне пересеченной местности в [5,6] была предложена модель изотропно рассеивающего объекта на фоне ортотропной матовой поверхности. В рамках этой модели яркостный контраст объекта с альбедо описывается выражением:

где - средняя яркостная температура объекта, - средняя яркостная температура подстилающей поверхности, - средняя яркостная температура небосвода, - приземная температура воздуха. Из (2) следует, что контраст объекта примерно пропорционален величине . Если при этом подстилающая поверхность еще и “достаточно черная”, т.е.

то контраст изотропно рассеивающего объекта (а также и реального объекта весьма сложной формы, как правило, по своим характеристикам приближающегося к изотропно рассеивающему), на фоне такой поверхности выражается только через альбедо объекта и величину :

В связи с вышеизложенным величина , равная

была названа в [5,6] контрастообразующей разностью температур.

В [5,6] было также отмечено, что в широком диапазоне значений полного вертикального ослабления, реализуемых в миллиметровых окнах прозрачности, средняя яркостная температура небосвода в широком диапазоне значений отличается от - яркости неба под углом места 30? - не более чем на 18 % . Поэтому при ясном небе или равномерной облачности систематизация и прогнозирование яркости и контрастов объектов и участков местности с достаточной для практики точностью могут быть выполнены с использованием в качестве контрастообразующей разности температур легко измеряемой (и легко рассчитываемой) величины

(в условиях разрывной облачности можно воспользоваться значениями , усредненными по данным измерений при различных азимутах).

Рис.1.

радиотеплолокационный зондирование связь

Наличие связи контраста реального металлического объекта сложной формы и контрастообразующей разности температур можно проиллюстрировать с помощью уже приводившегося нами в [7] рис. 1, на котором представлены результаты практически синхронных измерений антенного контраста танка и контрастообразующей разности температур на двух длинах волн и во время сильно меняющихся метеоусловий. Хорошо видно, что с началом дождя резко падают как значения контрастообразующей разности температур, так и контраста объекта. При этом на волне , которой соответствуют меньшие значения контрастообразующей разности температур, антенный контраст падает практически до нуля. После окончания дождя величины контрастообразующей разности температур существенно увеличиваются. Одновременно возрастают и абсолютные значения контраста объекта.

Более того, как показали теоретические оценки [5-7], подтвержденные многочисленными данными одновременных измерений в двухмиллиметровом и в трехмиллиметровом диапазонах длин волн в различных полевых условиях [6,8], яркостный контраст широкого класса реальных металлических объектов (танк, бронемашина, тягач, автомашина), казалось бы, заметно отличающихся от изотропно рассеивающих, также приближенно можно описать простым соотношением (7):

где - коэффициенты контраста, зависящие как от угла наблюдения, формы объекта и его ракурса, так и от состояния его поверхности и поверхности фона, а также от метеоусловий. Последнее в выражении (7) отмечено индексом "": - осадков нет, ясно, облачно; - дождь; - снегопад).

Так, например, в условиях средней полосы Европейской территории России (ЕТР) для наблюдаемого на фоне горизонта танка (вид спереди) коэффициент (осадков нет) согласно [6,8] при контрастообразующей разности температур равен

При контрастообразующей разности температур, превышающей , в среднем наблюдается прекращение роста контраста с ростом , сопровождающееся увеличением разброса значений и

? (-86±15) К

Это, скорее всего, связано с тем, что в миллиметровом диапазоне значения реализуются, как правило, зимой при наличии снежного покрова, эффективная температура излучения которого зависит от состояния этого покрова и бывает существенно меньше [9]. При этом может нарушаться условие "черноты" подстилающей поверхности (3).

Далее, во время дождя -

При снегопаде и -

Если при снегопаде , то такой случай следует отнести к рубрике «облачно». Объекты типа бронемашины, тягача и им подобные характеризуются несколько меньшими значениями коэффициентов контраста, но с тем же стандартом отклонения. Последнее в значительной мере связано, с влиянием пригоризонтных фоновых неоднородностей.

Вариации ракурса и наклона объектов на приземных трассах при углах визирования до - 2° приводят к вариациям контрастов на величину, как правило, не превышающую ±15К. Заметим, что полученные из измерений только что приведенные значения коэффициентов контраста для танка на фоне горизонта практически совпадают с вычисленными на основе его трехкомпонентной модели [10], включающей в себя следующие составляющие: отражающую полусферу, занимающую примерно 25 % телесного угла объекта, такого же углового размера наклонный лобовой бронелист, отражающий излучение неба под углом ?30°, и совокупность остальных частей (?50 %), посылающих в сторону наблюдателя излучение с температурой, близкой к , не создающее контраста. На наклонных трассах коэффициенты контраста в зависимости от характера подстилающей поверхности и угла визирования могут оказаться в 1,5 - 2 раза больше [2,8]. Уменьшение же при этом уверенно отмечается, если цель наблюдается на фоне ровных искусственных покрытий (асфальт, бетон), а также - водной поверхности.

Располагая упомянутыми коэффициентами контраста подлежащих локации объектов и статистикой контрастообразующей разности температур, можно проводить прогнозирование предельной эффективности радиотеплолокационных систем.

3. Контрастообразование в различных регионах

Вероятность существования тех или иных значений контрастообразующей разности температур в конкретном климатическом регионе можно оценить, опираясь на достаточно представительные ряды измерений излучения неба (см., например, [11-13]), либо путем расчета при наличии опять-таки достаточно представительной статистики вертикальных профилей метеоданных, характеристик облачности, тумана, осадков в интересующем регионе. В настоящее время существуют надежные методики инженерного расчета молекулярного поглощения и ослабления в осадках [14-18], которые могут быть использованы для расчета яркостной температуры атмосферы.

Пример кумулятивных распределений вероятности значений контрастообразующих температур в трех миллиметровых окнах прозрачности, построенный по данным годичного цикла измерений [11-13] в одном из центральных районов ЕТР (в Нижнем Новгороде) приведен на рис.2. Представление о сезонном ходе на волнах и в этом же районе дает рис.3, на котором показаны также и среднемесячные значения температуры воздуха и абсолютной влажности в приземном слое воздуха, реализовавшиеся в период с января 1979 г. по январь 1980 г.включительно.

Рис.2.

Рис.3.

Приведенные на рис. 2 и рис. 3 данные свидетельствуют о том, что в 2-мм окне прозрачности атмосферы условия формирования контрастов значительно более тяжелые по сравнению с условиями в 3-мм и тем более в 8 - миллиметровом.

Полученные в ходе измерений [11,12] статистические данные о метеообстановке и контрастообразующей разности температур в условиях средней полосы ЕТР, а также измеренные в 2-мм и в 3-мм диапазонах волн коэффициенты контраста танка были использованы в [8] для получения соответствующих упомянутому региону годичных кумулятивных распределений яркостного контраста танка , приведенных на рис. 4.

Рис.4.

Очевидно, что в различных регионах, отличающихся друг от друга по своим климатическим условиям, должны отличаться и условия контрастообразования. Это можно проиллюстрировать с помощью рис. 5. На нем показаны относящиеся к трехмиллиметровому окну прозрачности атмосферы кумулятивные распределения вероятности существования контрастообразующей разности температур , полученные в 1974 - 1989 г.г. на различных широтах, охватывающих зоны полярной пустыни, Заполярья, Северо-Западного региона, Крыма и туркменской пустыни [19]. Во всех случаях проводится сопоставление с данными, полученными в соответствующие календарные сроки 1979 г. в Горьком (пунктир).

Рис.5.

Из рис. 5, как и ожидалось, следует, что хорошо известные климатические особенности рассмотренных регионов четко проявляются при формировании контрастообразующей разности температур.

4. О возможности экспресс-прогнозирования

Приведенные выше примеры показывают, что существует насущная потребность разработки районированной, статистически обеспеченной модели атмосферы, которая позволила бы прямо находить реализующиеся в заданных регионах вероятности существования значений контрастообразующей разности температур или величин, по которым она может быть вычислена (например, температуры зенита или полного вертикального ослабления ) на требующихся частотах. В этом отношении нельзя не отметить работу [20], в которой по данным многолетней статистики метеорологических приземных и радиозондовых данных рассчитаны кумулятивные распределения вероятности значений температуры неба в зените на частотах = 10, 18, 32, 44 и 90 ГГц для 13 регионов континентальной и приморской части США, а также для Аляски и Гавайских островов.

В основу упомянутого разделения территории США на регионы в [20] было положено, прежде всего, их различие по характеру облачности, которая в подавляющем числе регионов существует не менее 50 % времени года, тогда как время выпадения осадков занимает обычно не более 5 - 8 %.

Приведенные в [20] региональные кумулятивные распределения температуры зенита и соответствующие среднегодовые значения температуры воздуха были использованы в [21,22] для перехода в рамках плоскослоистой изотермической модели атмосферы к региональным кумулятивным распределениям контрастообразующей разности температур и полного вертикального поглощения , а также проведен анализ следующих из [20] значений , которые в течение времени года превышаются полным вертикальным ослаблением атмосферы. В результате показано, что

- в окнах прозрачности атмосферы для заданного уровня вероятности (по крайней мере, в пределах ) на данной частоте значения линейно связаны с суммарным годовым количеством дождевых осадков

- параметры и различны в континентальных и прибрежных регионах.

Пример построенной по данным работы [20] зависимости от для трех частот (90 ГГц, 44 ГГц и 32 ГГц) в континентальных регионах США приведен на рис. 6 (темные и светлые кружки, а также треугольники соответствуют штатам Аризона, Техас, Айдахо, Монтана, Колорадо, Миннесота, Мичиган, Арканзас). График, соответствующий частоте 32 ГГц, дополнен взятыми из [23] экспериментальными данными («плюсы»), относящимися к Греции (Афины), Швеции (Стокгольм), Германии (Штутгарт), Австрии (Грац) и Финляндии (Йокиойнен), а частоте 90 ГГц - данными измерений [11,12] - «ромб».

Рис.6.

Хорошее согласие полученных в широком диапазоне частот экспериментальных данных [11, 12, 23] с данными, следующими из [20] (светлые и темные кружки, треугольники и аппроксимирующие прямые на рис.6 и рис.7), позволяет проводить в континентальных регионах экспресс-прогнозирование полного вертикального поглощения и контрастообразующей разницы температур (см. рис.7) только по одному параметру (имеется в виду, что для перехода от к в данном регионе можно использовать среднегодовые значения температуры ). Аналогичные зависимости наблюдаются и в приморских регионах, но там данных меньше и имеет место больший разброс.

Рис.7.

В заключение этого раздела подчеркнем, что прогнозирование предельной эффективности обнаружения в континентальных областях через получаемые описанным выше способом значения и без привлечения дополнительных сведений возможно только в двух случаях:

1) зондирование через всю толщу атмосферы (практически с высоты в несколько километров);

2) зондирование в условиях, когда можно пренебречь ослаблением сигнала на трассе до объекта.

Во всех других случаях необходимо привлекать сведения об ослаблении сигнала на трассе зондируемый объект - приемная антенна или делать соответствующие оценки.

Ниже приводится пример, относящийся к последнему случаю.

5. Оценка эффективности обнаружения танка с подвижного носителя

Рассмотрим возможности обнаружения цели (танк), находящейся в точке отрезка на рис.8. Радиотеплолокатор располагается на борту ракеты, которая движется горизонтально со скоростью по оси , проходящей через начало координат, так что ее расстояние до центра отрезка меняется со временем по закону

где - начальное расстояние (2 Z2 - на Рис.7), с которого начинается процесс обнаружения, заканчивающийся в точке Z2 на расстоянии . Ось диаграммы направленности антенны шириной (по нулевому уровню) периодически сканируется по пилообразному закону от некоторого начального положения, смещенного от направления на начало отрезка на угол, равный ширине диаграммы направленности , влево, до положения, смещенного от направления на конец отрезка на угол вправо.

Рис.8.

Если сканирование осуществляется таким образом, что продолжительность каждого скана одна и та же, а угловая скорость смещения луча возрастает по мере уменьшения расстояния до цели вследствие увеличения сектора обзора, то, как было показано в [24], чтобы получить требующееся для дальнейшей коррекции траектории ракеты отношение сигнал/шум необходимо обеспечить выполнение условия (14). Оно связывает яркостный контраст цели , площадь ее сечения и эффективную величину - поглощения сигнала на трассе с пороговой чувствительностью приемника , параметрами антенны ( - телесный угол антенны, - коэффициент рассеяния вне главного лепестка, - ширина главного лепестка по нулевому уровню) и координатно-скоростными параметрами (, , ):

Воспользовавшись этой формулой, можно провести численные оценки яркостного контраста танка , необходимого для его обнаружения радиометром с пороговой чувствительностью (постоянная времени 1 секунда) и антенной диаметром 100 мм, установленными на ракете, движущейся со скоростью =260 м/с, при прохождении расстояния с 0,36 км до 0,18 км до цели[2], находящейся в секторе м.

Что касается вклада поглощения на трассе, то, как показывают проведенные оценки, оно при указанных выше начальном и конечном расстояниях практически не отличается от потерь на трассе длиной ? 0,3 км. Наибольший вклад при этом вносится каплями дождя. Величина этого ослабления может быть найдена путем вычитания из данных измерений полного вертикального поглощения молекулярной части поглощения (по данным измерений приземной температуры и влажности) и деления на приведенную эффективную высоту дождя [15,16,18]. Проведенные с учетом сказанного оценки показали, что при расчете эффективности обнаружения в большинстве континентальных регионов из-за сравнительно малой части занятого дождями времени года (5 - 8 %) и годовым количеством дождевых осадков W ? 300 - 500 мм можно прямо пользоваться годичными кумулятивными распределениями контраста типа полученных в [8] (см. рис.4).

В соответствии с только что сказанным для достижения 10-кратного превышения сигнала над шумом упомянутого выше ракетного обнаружителя необходимо, чтобы в 2-миллиметровом окне прозрачности яркостный контраст танка составлял не менее 30,5 К, а в 3-миллиметровом - не менее 53,5 К. Таким значениям контраста соответствуют вероятности обнаружения не менее, чем в 75% и 90% времени года, соответственно. Осенью же вероятность обнаружения в 2-миллиметровом падает до ?60%, а в 3-миллиметровом - только до ?80%, т.е. использование радиотеплолокационного обнаружителя 3-миллиметрового диапазона гораздо более перспективно. Еще более это превосходство должно подчеркнуться в условиях пониженной почти в 1,5 контрастообразующей разности температур штатов Мичиган, Арканзас, где должна заметно ухудшиться обнаружительная способность и в 3-миллиметровом диапазоне. Не исключено, что в связи с этим в головках самонаведения противотанковых ракет фирмы Rockwell диаметр антенны был увеличен до 150 мм [25].

Заключение

Показано, что основываясь на связи контрастов реальных металлических объектов с контрастообразующей разностью температур (или с полным вертикальным ослаблением) и на данных о ее статистике, можно проводить прогнозирование предельной эффективности радиотеплолокационных систем в различных регионах. При этом в континентальных регионах экспресс-прогнозирование таких важных параметров как полное вертикальное поглощение и контрастообразующая разница температур можно проводить только по одному параметру - годовому количеству дождевых осадков.

Литература

1. Fedoseev L.I. Prediction of maximum efficiency of millimeter wave radiometric systems. - International Symposium “Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves”. June 7 - 10, 1994. Kharkov, Ukraine. Conference Proceedings, vol. IV, pp.713 - 715.

2. Стародубцев А.М., Федосеева Т.Н. Расчет эффективных температур металлических отражателей в миллиметровом диапазоне волн. - Всесоюзный симпозиум по приборам, технике и распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере. 25 - 27 октября 1976. Москва. Тезисы докладов и сообщений. С. 216 - 217.

3. Быстров Р.П., Краснянский А.Д., Новиков С.С., Потапов А.А., Соколов А.В. Пассивные радиолокационные системы скрытного обнаружения наземных объектов. - Электромагнитные волны и электронные системы. 1996. № 1. С. 64 - 71.

4. Борзов А.Б., Быстров Р.П., Дмитриев В.Г., Засовин Э.А., Потапов А.А., Соколов А.В., Чусов И.В. Научно-технические достижения и проблемы развития техники миллиметрового диапазона радиоволн. - Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. 2001. № 4. С. 18 - 80.

5. Федосеев Л.И., Швецов А.А. К описанию радиотепловых контрастов. - II Всесоюзный симпозиум по миллиметровым и субмиллиметровым волнам. 13 - 15 сентября 1978. Харьков. Тезисы докладов. Т. II. С. 170 - 171.

6. Экспериментальное исследование радиотепловых контрастов объектов на сложном фоне (заключительный отчет по НИР "Шлюпка-РВО", № Гос. регистрации В-56073, научный руководитель - Федосеев Л.И.). Горький. ИПФ РАН. 1977.

7. Федосеев Л.И., Швецов А.А. Формирование радиотепловых контрастов объектов в миллиметровом диапазоне длин волн. - Журнал радиоэлектроники. 2010. № 7. (ISSN 1684-1719), Иденф. № ФГУП НТЦ 0421000114/0028.

8. Федосеев Л.И., Кузнецов И.В., Куликов Ю.Ю., Лебский Ю.В., Мальцев В.А., Швецов А.А., Шкаев А.П., Штанюк А.М., Быстров Р.П. Экспериментальное исследование радиотепловых контрастов объектов в миллиметровом диапазоне длин волн. IV Всероссийская конференция «Радиолокация и связь» - ИРЭ РАН, 29 ноября - 3 декабря 2010 г. Сборник докладов. С.301 - 314.

9. Кузнецов И.В., Федосеев Л.И., Швецов А.А. Радиометрия снежного покрова в коротковолновой части миллиметрового диапазона. - Известия ВУЗов. Радиофизика. 1997. Т. 40. С. 1113 - 1125.

10. Федосеев Л.И., Швецов А.А. Многочастотное радиометрическое зондирование объектов. Материалы XIV отраслевого координатного семинара по СВЧ технике. 2005. С. 209 - 213. Нижегородская обл., п. Хахалы.

Размещено на Allbest.ru