Определение требуемых параметров сигналов подповерхностного радиолокатора на основе беспилотного летательного аппарата при импульсном методе зондирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение требуемых параметров сигналов подповерхностного радиолокатора на основе беспилотного летательного аппарата при импульсном методе зондирования

Д.А. Черепанов, Р.А. Воробьев Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (ВУНЦ ВВС «ВВА»)

Аннотация

Рассматривается использование импульсного метода в системе подповерхностной локации на основе беспилотного летательного аппарата для решения задачи разминирования. Приводятся результаты оценки длительности импульса и частоты сигнала для заданных условий.

Ключевые слова: подповерхностная локация; мины; мультикоптер; импульсный метод.

Abstract

The use of the pulse method in the subsurface location system based on an unmanned aerial vehicle to solve the problem of mine clearance is considered. The results of estimation of pulse duration and signal frequency for the given conditions are given.

Keywords: subsurface location; mines; multicopter; pulsing method.

импульсный мина радиолокатор зондирование

Введение

Относительно низкая стоимость, простота конструкции и установки противотанковых и противопехотных мин определяют интенсивное использование этого вида оружия в ходе локальных конфликтов конца XX - начала XXI века. По данным Организации Объединённых Наций и Международной организации по запрещению противопехотных мин этот смертоносный тип вооружения послужил причиной семидесяти трех тысяч человеческих жертв в ста девятнадцати государствах [1,2], а в настоящее время на территории порядка семидесяти стран имеется приблизительно сто десять миллионов не извлеченных мин [1,2]. При этом, вследствие того, что военнослужащие воюющих сторон проходят подготовку и умеют использовать устройства для обнаружения и нейтрализации мин, основными пострадавшими от этого вида оружия, как в ходе активной фазы конфликта, так и в течение длительного периода после нее является гражданское население.

Совершенствование средств обнаружения мин, появление роботизированных систем поиска и обезвреживания взрывных устройств в настоящее время приводят к повышению эффективности решения задачи разминирования. Вместе с тем, процесс разминирования территорий, текущих и завершившихся военных действий, и локальных конфликтов все еще продолжает оставаться чрезвычайно опасным, очень дорогостоящим и требующим больших затрат времени.

Анализ современного уровня развития и внедрения беспилотных летательных аппаратов, а также их тактико-технических и летных характеристик позволяет рассматривать беспилотный летательный аппарат (БЛА) мультикоптерного типа в качестве перспективного носителя элементов системы воздушной разведки минных полей, построенной на основе методов теории подповерхностной радиолокации. Использование таких систем позволяет существенно повысить показатели оперативности решения задачи разминирования, а также снизить потери среди личного состава саперных подразделений. В настоящее время уже созданы и испытаны ряд систем воздушной разведки минных полей, таких, например, как шведская подповерхностная радиолокационная станция (РЛС) CARABAS, для которой в качестве носителя рассматривается самолёт или БЛА, показавшая достаточно высокую эффективность при проведении испытаний [3,4].

При этом, несмотря на существенные достижения в теории подповерхностной радиолокации, проблема разработки радиолокаторов подповерхностного зондирования далека от завершения. В частности, не удается обнаруживать и распознавать в грунте противопехотные и противотанковые мины с требуемой вероятностью правильного обнаружения и низким уровнем ложных тревог [1,4-6]. Исходя из этого в рамках обозначенной проблемы, в настоящее время существует объективная необходимость решения актуальной научной задачи совершенствования научно-методического аппарата обнаружения и распознавания в грунте противопехотных и противотанковых мин. Декомпозиция данной научной задачи позволяет выделить в качестве первой частной научной задачи исследования задачу выбора и обоснования метода подповерхностного зондирования, в качестве второй частной задачи определение требуемых параметров сигналов, используемых для обнаружения подповерхностных неоднородностей с заданными электрическими характеристиками.

1. Импульсный метод подповерхностного зондирования

В рамках решения первой частной научной задачи рассмотрим возможность использования импульсного метода для обнаружения в грунте противопехотных и противотанковых мин.

Ввиду простоты реализации данный метод нашел широкое применение, как в радиолокации, так и в радионавигации.

Впервые определение толщины слоя, применительно к толщине материкового льда, импульсным методом было выполнено в 1957 году А. Уэйтом [7]. Зондирование осуществлялось с помощью импульсного радиовысотомера, антенны которого были помещены прямо на снег ледника, при этом высотомер определял высоту около 275 метров.

Сущность импульсного метода состоит в измерении временного интервала между излученным и отраженным импульсами, который пропорционален измеряемой дальности. При условии, что этот временной интервал больше длительности импульса отраженный сигнал на входе приемника представляется известной моделью в виде аддитивной смеси ослабленного и задержанного на время излученного сигнала и шума . При этом в приемопередатчике в момент излучения зондирующего сигнала выполняется бланкирование приемника, что позволяет не учитывать во входной реализации просачивающийся при излучении на вход приемного тракта сигнал .

В отличие от рассмотренной выше ситуации входная реализация приемника системы подповерхностной радиолокации для обнаружения мин на основе БЛА мультикоптерного типа с учетом особенностей построения системы и требований к энергетике отраженного сигнала представляет собой аддитивную смесь, в которой кроме отраженного от подстилающей поверхности сигнала («верхний» сигнал [4]) и шума , будет присутствовать сигнал , отраженный от нижней границы слоя («нижний» сигнал [4]), а также просачивающийся при излучении на вход приемника прямой сигнал ,

.(1)

Зондирующий сигнал при импульсном методе подповерхностного зондирования для обеспечения требуемой глубины и разрешающей способности обычно представляет собой однопериодный импульс, модель которого можно описать выражением [1],

,(2)

где - амплитуда сигнала, - длительность импульса,

- единичная функция Хэвисайда.

Тогда с учетом формул (1) и (2) модель отраженного сигнала будет определяться выражением,

,(3)

где - мощность передатчика, - коэффициент направленного действия антенны, - эффективная поверхность рассеяния, - длина волны зондирующего излучения, - высота полета БЛА, - толщина слоя, - комплексная диэлектрическая проницаемость.

В случае решения задачи обнаружения мин принятый сигнал подвергается дальнейшей обработке с выделением «верхнего» и «нижнего» сигналов, а также последующим построением подповерхностного профиля, например, в виде цветового двумерного графического изображения.

2. Исследование параметров сигналов подповерхностного радиолокатора на основе БЛА при импульсном методе зондирования

Увеличение информативности при обработке первичной информации можно производить оптимальным выбором длин волн, поляризации, углов наклона, предварительным сбором, и накоплением информации и комплексированием [4].

При подповерхностном зондировании длина волны и поляризация выбираются исходя из условий зондирования, и можно выбрать оптимальное значение в зависимости от решаемых задач.

Так как глубина установки мин, как правило, не превышает значения 0,1 метра, то в общем случае задачу их обнаружения можно рассматривать как частный случай подповерхностного зондирования тонких слоев. При этом переход к тонким слоям связан с трудностями выполнения условия разрешения сигналов, отраженных от верхней и нижней границ слоя, при сохранении приемлемого отношения амплитуд этих сигналов.

В классической постановке задачи разрешающая способность определяется критерием Релея. В соответствии с этим критерием, под разрешающей способностью понимается тот минимальный интервал , при котором суммарный отклик еще имеет вид кривой с двумя ярко выраженными максимумами [8]. Для радиоимпульсов непрямоугольной одинаковой амплитуды разрешающая способность по времени (дальности) определяется длительностью импульса на уровне 0,5 от максимальной амплитуды . Различие в амплитудах импульсов приводит к ухудшению разрешающей способности. Применительно к рассматриваемой задаче подповерхностного зондирования требуемое разрешение будет обеспечиваться при

,(4)

где - минимальная толщина слоя, при которой будет обеспечиваться разрешение сигналов.

Имеется большое количество исследований [8], посвященных исследованию влияния характеристик среды распространения на длину волны и скорость ее распространения в этой среде, в которых приводятся экспериментально полученные значения диэлектрической проницаемости. В [5] приводятся модельные среды на основе электрических свойств горных пород, полученные путем обобщения результатов измерения диэлектрической проницаемости. Так как мины устанавливаются в рыхлый грунт в качестве моделей среды распространения были выбраны две модели наиболее соответствующие рассматриваемой задаче. Первая модель характеризует среды, у которых диэлектрическая проницаемость мало меняется при частотах и практически не меняется при частотах Гц. Это соответствует сухой почве () и сухому песчанику (). Вторая модель определяет среды, для которых диэлектрическая проницаемость значительно уменьшается с частотой при Гц и мало меняется при Гц, что соответствует влажной почве () или влажному песчанику ().

При формальном определении длительности импульса на уровне половины амплитуды для однопериодного импульса . Тогда длина волны в среде распространения, при которой обеспечивается разрешение сигналов, будет определяться формулой

.(5)

Зависимость длины волны от длительности импульса при условии обеспечения требуемого разрешения для рассматриваемых моделей среды распространения представлена на рисунке 1. График, соответствующий сухой почве или сухому песчанику (модель 1), изображен пунктиром, а сплошная линия соответствует графической зависимости для влажной почвы или влажного песчаника (модель 2).

Рис. 1. Зависимость длины волны от длительности однопериодного импульса.

Известные условия размещения мин по глубине позволяют сформулировать требования к граничным значениям минимальной и максимальной глубины прохождения зондирующего излучения. При этом требования к минимальной толщине слоя будут определяться возможностью разрешения «верхнего» и «нижнего» сигналов, в то время как максимальная допустимая толщина слоя определяется из условия обеспечения заданного потенциала радиолокатора при заданном значении удельного затухания. Исходя из того, что противопехотные мины устанавливают на глубину 0,01-0,02 метра, а противотанковые - на глубину около 0,1 метра, эти значения в работе приняты в качестве требуемых значений минимальной и максимальной толщины слоя.

Для расчетных длительностей импульса, обеспечивающих требуемую разрешающую способность, получены значения минимальной и максимальной толщины слоя, представленные на рисунке 2. Графики, соответствующие сухой среде распространения сигнала, представлены пунктирной линией. Зависимости для влагонасыщенной среды распространения показаны на рисунке 2 сплошными линиями.

а)

б)

Рис. 2. Зависимости максимальной (а) и минимальной (б) толщины слоя от длительности однопериодного импульса.

Анализ приведенных зависимостей показывает, что обнаружение мин в рассматриваемых условиях потенциально достижимо с помощью однопериодных импульсов длительностью от 0,1 до 3,2 наносекунд. Однако из рисунка 2.б видно, что для расчетных значений длительности импульса минимальная толщина слоя, при которой будет обеспечиваться разрешение сигналов, в зависимости от влагонасыщенности среды лежит в диапазоне от 0,01 до 0,119 метра при условии требуемой минимальной толщины ? 0,01 метра.

Подповерхностное зондирование относительно толстых слоев позволяет выбрать такую длительность импульсов, при которой будет выполняться условие полного разрешения сигналов, что в свою очередь обеспечивает возможность использования радиолокаторов общего назначения. При этом выбор частоты сигнала связан с особенностями распространения электромагнитных колебаний в слое, формой зондирующих импульсов и техническими возможностями размещения аппаратуры [7].

Применительно к рассматриваемой в работе задаче определяющим условием выбора частоты будет возможность разрешения сигналов, отраженных от границ достаточно тонкого слоя. Графические зависимости максимальной и минимальной толщины слоя, при которой будет обеспечиваться разрешение сигналов, представлены на рисунке 3.

Пунктиром представлены графики для сухой среды распространения, сплошной линией - для влагонасыщенной.

Анализ представленных графиков показывает, что рассчитанные значения частоты импульсного сигнала позволяют обеспечить обнаружение объектов в слое с максимальной толщиной до 1 метра применительно к влгонасыщенной среде и чуть более 4 метров для сухой среды при требуемой максимальной толщине слоя 0,1 метра.

Требуемое разрешение будет обеспечиваться при использовании однопериодных сигналов наносекундной длительности при этом частота этих сигналов лежит в диапазоне от 1,5 до 3,5 гигагерц, в зависимости от состояния среды распространения.

а)

б)

Рис. 3. Зависимости максимальной (а) и минимальной (б) толщины слоя от частоты колебаний.

Полученные в работе результаты можно рассматривать как первичную оценку параметров сигналов подповерхностного радиолокатора на основе беспилотного летательного аппарата при импульсном методе зондирования. Они являются исходными данными, которые будут использованы на следующем этапе исследования для обоснования требований к тактико-техническим характеристикам и конструкции приемного и передающего трактов системы, а также для уточнения требований к структуре системы подповерхностной локации на основе БЛА для решения задачи разминирования.

Литература

1. Вопросы подповерхностной радиолокации. Коллективная монография. / Под ред. А.Ю. Гринёва, М.: Радиотехника, 2005. - 416 с.

2. Гринмейер Л. Подповерхностная голографическая радиолокация может обеспечить безопасный и более эффективный способ обнаружения скрытых мин // Scientific American: сетевой журн. 2010.

3. Hellsten H. CARABAS - An UWB Low Frequency SAR // Military Technology, 5, 1994.

4. Подповерхностная радиолокация / М.И. Финкельштейн, В.И. Карпухин, В.А. Кутев, В.Н. Метелкин. Под ред. М.И. Финкельштейна. - М.: Радио и связь, 1994. - 216 с.

5. Финкельштейн М.И., Кутев В.А., Золотарев В.П. Применение радиолокационного под-поверхностного зондирования в инженерной геологии. / Под ред. М.И. Финкельштейна. - М.: Недра, 1986. - 128 с.

6. Андреев Г.А., Заянцев Л.В., Яковлев В.В. Радиоволновые системы подповерхностного зондирования. // Зарубежная радиоэлектроника, 1991, №2. - с.3-22.

7. Финкельштейн М.И., Мендельсон В.Л. Кутев В.А. Радиолокация слоистых земных покровов. / Под ред. М.И. Финкельштейна. М.: Сов.радио, 1977. - 176 с.

8. Вакман Д.Е. Сложные сигналы и принцип неопределенности в радиолокации. М.: Сов.радио, 1965. - 304 с.

Размещено на Allbest.ru