Математическое моделирование работы радара с синтезированием апертуры антенны

Размещено на http://www.allbest.ru/

2

Марийский государственный университет (МарГУ), Йошкар-Ола, Россия

Математическое моделирование работы радара с синтезированием апертуры антенны

А.Н. Леухин, А.А. Воронин,

К.В. Андреев, Д.Ю. Карасев, А.А. Петухов

Аннотация. Моделирование процессов излучения, распространения, рассеяния и приема радиоволн совместно с когерентным накоплением в радиолокаторе с синтезированной апертурой антенны. Для моделирования больших площадей подлежащей поверхности применены методы геометрической оптики, в то время как малые объекты интереса рассчитываются в приближении физической теории дифракции. В данной работе представлены результаты моделирования работы радиолокатора с синтезированной апертурой в X-диапазоне.

Ключевые слова: радиолокация; радиолокатор с синтезированной апертурой; эффективная площадь рассеяния.

Abstract. Modeling processes of radiation, propagation, scattering, and receiving radio waves, together with coherent accumulation in synthetic aperture radar. For the simulation of large areas of the underlying surface, the methods of geometrical optics are applied, while small objects of interest are calculated in the approximation of the physical theory of diffraction. This paper presents the results of simulating the operation of synthetic aperture radar in the X-band.

Keywords: radar; synthetic aperture radar; radar cross-section.

антенна радиоволна апертура радиолокатор

Введение

В настоящее время методы и подходы математического моделирования широко применяются для решения технических задач с множеством взаимосвязанных параметров. К такому классу задач относится синтез и анализ алгоритмов формирования радиолокационных изображений [1-3].

Алгоритмы обработки радиолокационных изображений, такие как обнаружение и распознавание целей, требуют большого количества экспериментальных данных с априорными знаниями о характеристиках радиолокационной сцены. Задачу подготовки тестовых наборов берет на себя математическая модель. В случае дистанционного зондирования земли особый интерес представляют характеристики подлежащей поверхности, которые в одном случае могут быть объектом интереса, а в другом случае представлять помеху.

В данной работе мы рассматриваем возможность моделирования работы радиолокатора с синтезированной апертурой (РСА) в приближении лучевой оптики с моделированием больших площадей подлежащей поверхности, а также более детальный расчет отражательных характеристик металлических объектов интереса.

Принцип синтезирования апертуры

Синтезирование апертуры (СА) - метод обработки сигналов, позволяющий существенно повысить поперечную линейную разрешающую способность радиолокатора относительно направления диаграммы направленности антенны (ДНА) и улучшить детальность радиолокационного изображение местности.

Основное отличие синтезированных (искусственных) апертур от обычных (реальных) апертур антенны состоит в том, что синтезированная апертура формируется последовательно во времени. В каждый данный момент прием электромагнитной волны ведется реальной апертурой, а синтезированная апертура является результатом последовательного во времени приема электромагнитной волны реальной апертурой при различном ее положении относительно источника электромагнитной волны.

Рис. 1. Прицип действия радиолокатора с синтезированной апертурой

Принцип действия радиолокатора с синтезированной апертурой антенны (РСА) поясняет рис. 1. Антенна, установленная на летательном аппарате (ЛА), в соответствии со своей диаграммой направленности высвечивает на поверхности земли радиолокационное пятно, форма которого зависит от диаграммы направленности антенны (ДНА). На рис. 1 размер этого пятна в азимутальном направлении обозначен символом , а размер в направлении горизонтальной дальности от аппарата обозначен символом .

Точечная цель облучается последовательностью радиоимпульсов в моменты времени . В момент времени приходит первый, отраженный от цели импульс, а в момент времени ? последний. В течение этого времени антенна перемещается в пространстве на расстояние , которое называют длиной синтезированной апертуры.

Разрешающая способность РСА по наклонной дальности зависти от типа зондирующего сигнала и определяется эффективной полосой частот сигнала [1-3]:

.(1)

Разрешение поперек линии пути связано с разрешением станции по наклонной дальности и углом наблюдения:

,(2)

где - разрешение по наклонной дальности, - угол скольжения, отсчитываемый от горизонтальной плоскости.

Линейное разрешение по путевой дальности определяется длиной синтезированной антенны и наклонной дальностью:

.(3)

Алгоритмы имитации отражения от подстилающей поверхности и типовых объектов

Для моделирования отражения сигнала от поверхности была использована фацетная модель, представляющая поверхность в виде совокупности элементарных отражающих элементов, представляющих собой пластины конечных размеров, совпадающие с поверхностью крупномасштабных неровностей (рис. 2).

Рис. 2. - Фацетная модель радиолокационного отражения земной поверхностью: 1 - фацет; 2 - локальная диаграмма обратного рассеяния; 3 - поверхность

Физическим обоснованием такой модели является принцип Гюйгенса-Кирхгофа, в соответствии с которым каждая точка поверхности, облучаемая электромагнитной волной, является источником вторичной сферической волны [4].

Отраженный сигнал от поверхности представляет собой сумму сигналов от всех облучаемых фацетов. Причем каждый парциальный сигнал имеет свою амплитуду, определяемую ориентацией локальной диаграммы обратного рассеяния (ДОР), и свою случайную фазу [4].

Фаза сигнала, отраженного от -го элементарного отражателя (фацета), представляется в виде:

,(4)

где - регулярный фазовый сдвиг за счет времени распространения волны от -го элементарного отражателя (фацета) и обратно; - расстояние от фазового центра антенны до центра фацета; - случайный фазовый сдвиг, вызванный отражение от фацета и неоднородностями на трассе распространение (тропосфера, ионосфера и т.д.) Обычно считают, что имеет равномерный закон распределения от 0 до .

Сигнал на входе приемной антенны РЛС представляет собой сумму парциальных сигналов, отраженных от всех фацетов в облучаемой области:

,(5)

где - амплитуда сигнала; - задержка сигнала, отраженного от -го фацета; - закон модуляции зондирующего сигнала; - циклическая частота несущего колебания.

Амплитуда сигнала, отраженного от фацета, зависит как от расстояния до фацета, так и от взаимной ориентации ДНА и ДОР и определяется:

,(6)

где - мощность передатчика; , - коэффициенты усиления по мощности соответственно передающей и приемной антенн; , - нормированные диаграммы направленности по мощности, соответственно передающей и приемной антенн (); - коэффициент полезного действия антенно-фидерной системы на передачу и прием; - коэффициент потерь в СВЧ трактах и на распространение (); - расстояние от фазового центра антенны до -го отражателя; - эффективная площадь рассеяния -го отражателя.

а. Расчет рассеянного поля от объектов сцены

Расчет ЭПР объектов радиолокационной сцены выполнен на основе использования методов физической оптики, физической теории дифракции и метода краевых волн. Вектор напряженности рассеянного объектом электрического поля может быть представлен в виде суперпозиции следующих компонент [5-7]:

,(7)

где - нормированная напряженность поля рассеяния треугольных пластин; - нормированная напряженность поля рассеяния ребер; - нормированная напряженность поля, соответствующая рассеянию при многократных переотражениях электромагнитных волн между элементами сцены.

В работах [5-7] разработаны методы расчета рассеянного поля триангулированных объектов с учетом поляризационных характеристик передающей и приемной антенны.

б. Расчет рассеянного поля от подстилающей поверхности сцены

Отражающую способность подстилающей поверхности характеризуют коэффициентом рассеяния, который представляет собой удельную эффективную площадь рассеяния (УЭПР) - отношение ЭПР элемента разрешения на местности к значению его геометрической площади [3]:

,(8)

где _ значение ЭПР элемента разрешения, _ площадь поверхности элемента разрешения.

При отражении от земной поверхности величина УЭПР имеет большой диапазон изменений и зависит от типа поверхности и от угла, под которым происходит зондирование. Обычно на графике зависимости УЭПР от угла зондирования можно выделить три основных области (рис. 3). При углах зондирования, близких к вертикали, для большинства поверхностей отражение будет близким к зеркальному, и будет наблюдаться наибольшие значения УЭПР. При углах зондирования, близких к горизонтали, отражение будет очень малым. При промежуточных значениях угла скольжения УЭПР, выраженная в дБ, изменяется с ростом угла скольжения по закону, близкому к линейному.

Рис. 3. Зависимость УЭПР от угла скольжения

Математическую модель зависимости УЭПР земных покровов в X диапазоне от угла скольжения для различных типов поверхности определим на основе следующей аппроксимации [4, 8, 9]:

(9)

На рис. 4 представлены зависимости УЭПР от угла скольжения при вертикальной и горизонтальной поляризации в X диапазоне для основных типов подстилающих поверхностей. Исходные данные для расчета коэффициентов математической модели УЭПР (9) взяты из источника [3].

Рис. 4. - Зависимость удельной ЭПР от угла скольжения: а - вертикальная поляризация; б - горизонтальная поляризация

Созданная математическая модель позволяет проводить моделирование радиоголограмм в следующих основных режимах радиолокационной съемки:

· режим детальной съемки;

· режим маршрутной съемки;

· режим обзорной съемки;

· бистатический режим интерферометрической съемки;

· режим обращенного эксперимента.

Результаты

В таблице 1 приведены основные параметры моделирования работы радара с синтезированием апертуры антенны в режиме маршрутной съемки в Х диапазоне.

Таблица 1. параметры моделирования

На рис. 5 представлена трехмерная модель подстилающей поверхности с выделенным участком съемки для проведения моделирования.

Рис. 5. Радиолокационная сцена с различными материалами подлежащей поверхности

На рис. 6 представлено радиолокационное изображение, синтезированное по смоделированной голограмме.

Рис. 6. Результат моделирования: радиолокационное изображение фрагмента сцены

На радиолокационном изображении присутствует характерный спекл-шум, однако границы между различными материалами сцены ярко выражены. Кроме того заметны изменения яркости изображения связанные с формой рельефа местности. Области где облучение близко к нормальному имеют большую яркость, а следовательно и удельную ЭПР.

Заключение

Представленный в данной работе подход содержит в себе преимущества, которые позволяют моделировать большие радиолокационные сцены за приемлемое время, при этом сохраняя эффекты поляризации. Данный метод моделирования радиолокационных голограмм и изображений может быть полезен при разработке и оценке алгоритмов обнаружения и распознавания и классификации различных целей. Кроме того данный подход может оказаться полезным при разработке новых режимов и алгоритмов синтеза радиолокационных изображений.

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках проектов №2.2226.2017/ПЧ и №2.9140.2017/БЧ.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ в рамках проекта №15-07-99514.

ЛИТЕРАТУРА

1.Антипов В.Н. Радиолокационные станции с цифровым синтезированием апертуры антенны / Антипов В.Н., Горяинов В.Т., Кулин А.Н., Мансуров В.В., Охонский А.Г., Сазонов Н.А., Титов М.П., Толстов Е.Ф., Шаповалов А.В. ; Под ред. В.Т. Горяинова. М.: Радио и связь, 1988. - 304 с.

2.Школьный Л.А. Радиолокационные системы воздушной разведки, дешифрования радиолокационных изображений / Школьный Л.А., Толстов Е.Ф., Детков А.Н., Тонких О.А., Цветков О.А., Архангельский А.С.. Под ред. Л.А. Школьного. М.: изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2008. - 531 с.

3.Верба В.С., Неронский Л.Б., Осипов И.Г., Турук В.Э. Радиолокационные системы землеобзора космического базирования / Под ред. В.С. Вербы. М.: Радиотехника, 2010. - 680 с.

4.Баскаков А.И., Жутяева Т.С., Лукашенко Ю.И. Локационные методы исследования объектов и сред: учебник для студ. Учреждений высш. проф. Образования / под. Ред. А.И. Баскакова. М.: Издательский центр «Академия», 2011. - 384 с.

5.Борзов. А.Б., Соколов А.В., Сучков В.Б. Цифровое моделирование входных сигналов систем ближней радиолокации от сложных радиолокационных сцен // Журнал радиоэлектроники, 2004, №4.

6.Борзов. А.Б., Соколов А.В., Сучков В.Б. Методы цифрового моделирования радиолокационных характеристик сложных объектов на фоне природных и антропогенных образований // Журнал радиоэлектроники, 2000, №3.

7.Сучков В.Б. Объектно-ориентированный метод определения комплексных коэффициентов отражения элементов полигональной модели объекта локации // Системы и средства связи, телевидения и радиовещания, 2013, №1-2. - С. 159-165.

8.Shirman, A.B. Computer simulation of Aerial target radar scattering, recognition, detection, and tracking. Norwood.: Artech house, 2002. - 264 p.

REFERENCES

1.Antipov V.N. Radar stations with digital synthesis of antenna aperture / Antipov V.N., Goryainov V.T., Kulin A.N., Mansurov V.V., Okhonsky A.G., Sazonov N.A., Titov MP, Tolstov E.F., Shapovalov A.V. ; Ed. V.T. Goryainov. Moscow: Radio and communication, 1988. - 304 p.

2.Shkolny L.A. Radar systems of aerial reconnaissance, deciphering of radar images / Shkolny L.A., Tolstov E.F., Detkov A.N., Tonkikh O.A., Tsvetkov O.A., Arkhangelsky A.S. Ed. Shkolny L.A. Moscow: VVIA them. prof. N.E. Zhukovsky, 2008. - 531 p.

3.Verba V.S., Neronsky L.B., Osipov I.G., Turuk V.E. Space-based ground observation radar systems / Ed. V.S. Verba. Moscow: Radio Engineering, 2010. - 680 p.

4.Baskakov A.I., Zhutyayeva TS, Lukashenko Yu.I. Locational methods for studying objects and environments: a textbook for students. Institutions of higher. prof. Education / Ed. A.I. Baskakov. Moscow: Publishing Center "Academy", 2011.

5.Borzov. A.B., Sokolov A.V., Suchkov V.B. Digital simulation of the input signals of short-range radar systems from complex radar scenes // Journal of Radio Electronics. 2004, No. 4.

6.Borzov. A.B., Sokolov A.V., Suchkov V.B. Methods of digital modelling of radar characteristics of complex objects against the background of natural and anthropogenic formations // Journal of Radio Electronics, 2000, No. 3.

7.Suchkov V.B. Object-oriented method for determining the complex reflection coefficients of elements of a polygonal model of the object of location. // Systems and means of communication, television and broadcasting, 2013, No. 1-2. - Pp. 159-165.

8.Shirman, A.B. Computer simulation of Aerial target radar scattering, recognition, detection, and tracking. Norwood.: Artech house, 2002. - 264 p.

Размещено на Allbest.ru