Методы обработки данных радиоизмерений при принятии решений в задачах обнаружения малоразмерных и малоподвижных летательных аппаратов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

В последние годы значительную актуальность приобрела задача всепогодного автоматизированного обнаружения малоразмерных и низкоскоростных объектов на фоне подстилающей поверхности. Не ограничивая общности к таким объектам следует отнести прежде всего людей, животных, малые и сверхмалые летательные аппараты (включая беспилотные и дистанционно пилотируемые) и маломерные суда. Конечными потребителями таких систем являются службы обеспечения охраны и безопасности, диспетчерская служба на транспорте и т.д.

Традиционно задача всепогодного выделения объектов на фоне подстилающей поверхности решается использованием когерентных Доплеровских РЛС. Причём для обнаружения низкоскоростных объектов используются РЛС миллиметрового диапазона со значительным временем накопления сигнала, что неизбежно приводит к низкому темпу обзора пространства и узкой специализации таких РЛС. Примером таких систем являются РЛС: Фара, Кредо, Гамма-ПВ (мм диапазон делает эти РЛС метеозависимыми). Для решения задачи обнаружения человека на местности низкий темп обзора (5-6 градусов/сек) допустим, но это увеличивает риск пропуска динамичных целей из-за нехватки отметок для своевременной завязки трассы и выдачи целеуказания. В этой парадигме обнаружение низкоскоростных целей, имеющих малую радиальную компоненту скорости, является проблематичным и на практике не реализовано.

Другой проблемой построения систем автоматического обнаружения и сопровождения малоразмерных, маловысотных и малоподвижных летательных аппаратов (МММЛА) с помощью радиолокации является их малозаметность, обусловленная прежде всего свойствами материалов изготовления. Имеющиеся результаты экспериментальных исследований и теоретических разработок свидетельствуют о том, что отклик на зондирующий сигнал формируется за счет имеющихся в конструкциях достаточно протяженных перемычек, каркасных ребер и т.п. Такой отклик принято называть собственным электромагнитным излучением. При этом рассеяние радиолокационных объектов происходит в резонансной области, под которой понимается область частот, соответствующая геометрическим размерам и форме объектов.

Поэтому для решения задачи обнаружения и сопровождения малоразмерных, маловысотных и малоподвижных летательных аппаратов представляет интерес моделирование сигнальных откликов МММЛА и определение частотных полос, в которых наиболее активно проявляются данные сигнальные отклики.

Для построения модели предполагается, что обнаружение и сопровождение малоразмерных, маловысотных и малоподвижных летательных аппаратов осуществляется путем обработки измерительной информации, получаемой с помощью радиолокатора, излучающего сверхширокополосные (СШП) сигналы и принимающего соответствующие отклики.

В результате электромагнитного взаимодействия зондирующего сигнала с поверхностью радиолокационной цели формируется рассеянное электромагнитное поле, часть которого распространяется в направлении приемной антенны [1]. При этом форма отклика отличается от зондирующего импульса. На форму отраженного импульса существенное влияние оказывают резонансные свойства той части поверхности цели, от которой отразился эхо-сигнал. Резонансные свойства объектов определяются их импульсной характеристикой. Таким образом, в процессе локации у СШП сигнала происходит значительное изменение его первоначальной формы. Такой сигнал называется «портретом цели», поскольку он несет в себе информацию о геометрической форме объекта.

Вопросам анализа временных и частотных характеристик рассеяния электромагнитных полей телами различной формы посвящено большое количество научных работ [2, 3, 4]. Под временной характеристикой рассеяния объекта обычно понимают так называемую импульсную характеристику объекта, являющуюся реакцией на электромагнитное возбуждение, имеющее форму и свойства д-функции. На практике возбуждающее воздействие имеет конечную длительность и определенную форму, поэтому временная зависимость реакции объекта несет в себе не только информацию об импульсной характеристике самого объекта, но и о форме возбуждающего сигнала.

В случае частотного анализа производится исследование передаточной функции радиолокационного объекта, которая связана с импульсной характеристикой цели соответствующим спектральным преобразованием. Она несет в себе всю информацию о форме и геометрических размерах цели.

Как известно, регистрируемый сигнал в классической относительно узкополосной радиолокации представляет собой свертку зондирующего сигнала с импульсной характеристикой радиолокационного объекта:

(1)

радиолокация доплеровский когерентный узкополосный

где - зондирующий (излучаемый) сигнал, - импульсная характеристика объекта, которые считаются финитными функциями. Влиянием среды распространения в этом случае можно пренебречь. При использовании СШП сигналов нельзя пренебрегать в общем случае дисперсионными свойствами среды распространения. Аналогично должны быть учтены частотные свойства антенны (антенн) радиолокатора. Тогда соотношение (1) следует представить в виде цепочки свёрток:

, (2)

Где - сигнал возбуждения излучающей антенны, - импульсная характеристика излучающей антенны- импульсная характеристика среды распространения, - импульсная характеристика объекта и - импульсная характеристика приёмной антенны и приёмника [5] (в наиболее распространённой однопозиционной радиолокации . В частотной области это эквивалентно произведению соответствующих частотных характеристик.

Реальные радиолокационные цели, в частности МММЛА, имеют довольно сложную форму поверхности, различную геометрическую конфигурацию и выполняются из самых различных материалов. Поэтому приближенные численные методы расчета характеристик рассеяния радиоволн объектами сложной геометрической формы в широком диапазоне частот при воздействии короткого по длительности импульса дают результаты, которые довольно сложно интерпретировать физически. Это приводит к тому, что оценить степень близости результатов к истинным значениям, а также обоснованно выбрать параметры приближенных методов, например, интервалы дискретизации по времени и пространству, не всегда просто. Но реальные цели очень часто имеют форму, достаточно хорошо аппроксимируемую правильными геометрическими фигурами.

Поэтому, при реализации модели формирования сигнальных откликов от малоразмерных летательных аппаратов, основные конструктивные элементы квадрокоптера (поперечные штанги, пропеллеры) можно представить в виде тонких цилиндров конечной длины.

Такие цилиндры по сути являются дипольными антеннами, которые имеют резонансы на частотах, соответствующих длинам волн , где L обозначает длину вибратора антенны [5, 6].

Используя средства программной среды Matlab на основе расчета возвратных потерь (3) можно оценить рабочие полосы частот антенны.

(3)

где: Z - входное сопротивление антенны, Z0 = эталонное полное сопротивление антенны.

Дипольная (вибраторная) антенна имеет явно выраженные резонансы на частотах примерно равным 150 МГц, 450 МГц, 750 МГц.

Также необходимо учитывать тот важный факт, что частотная характеристика объекта и связанная с ней импульсная характеристика зависят от ракурса его облучения и наблюдения. Следовательно, необходимо учитывать направленные свойства дипольной антенны, которые определяются ее диаграммой направленности.

Ниже представлены результаты моделирования сигнальных откликов от МММЛА. При моделировании качестве исходных данных задаются геометрические размеры МММЛА, а именно длины конструктивных элементов L1 и L2. При текущем моделировании длины L1 и L2 были заданы 1 м и 0,2 м соответственно.

Полученные результаты показывают, что сигнальные отклики соответствуют только некоторым частотным полосам конечной ширины спектра зондирующего сигнала, размеры и положение которых на частотной оси может существенно изменяться. Следовательно, в системах обнаружения и сопровождения таких объектов, как МММЛА должны использоваться СШП сигналы, при обработке которых должны адаптивно определяться частотные полосы, в которых наиболее активно проявляются сигнальные отклики.

Литература

1. Справочник по радиолокации. Пер. с англ. Под ред. М. Сколника. (в 4-х томах). Т. 1. Основы радиолокации. М.: Сов. Радио, 1976.

2. Introduction to Ultra-Wideband Radar Systems / editor, James D. Taylor, CRC Press, 1995.

3. Ultrawideband Radar: Applications and Design / editor, James D. Taylor, CRC Press, 2012.

3. Стрэттон Дж.А., Теория электромагнетизма. Пер. с англ. Под ред. С.М. Рытова. JL: Госиздат технико-теоретической литературы, 1948.- 540 с.

4. Bennett, C.L., Ross, G.F., "Time-Domain Electromagnetics and its Applications," Proc. of the IEEE, vol. 66, № 3, March, 1978, pp. 299-318.

5. Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. М.: Радио и связь 1989 - 192 стр.

6. Активные фазированные антенные решетки/ Под ред. Д.И. Воскресенского и А.И. Канащенкова. - М.: Радиотехника, 2004.-488 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru