Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Решение задачи селекции путем оценки эффективной площади рассеяния плазменной оболочки

Полный текст:

Аннотация

Рассмотрена проблема идентификации цели как ложной при ее сопровождении радиолокационной станцией. Выбраны плазменные и тяжелые ложные цели на атмосферном участке траектории. Проведено моделирование в пакетах Fluent и ANSYS HFSS . Предложены признаки селекции и критерии принятия решения об идентификации цели как ложной. Проведен анализ возможности селекции тяжелых и плазменных ложных целей на атмосферном участке с использованием информации, полученной с помощью радиолокационных станций X-диапазона.

Для цитирования:


Маркова М.В., Сергунов К.Ю. Решение задачи селекции путем оценки эффективной площади рассеяния плазменной оболочки. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017;(2):10-15.

For citation:


Markova M.V., Sergunov K.Y. Solving the discrimination problem by means of estimating the radar cross-section of a plasma sheath. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2017;(2):10-15. (In Russ.)

Введение

Одной из основных проблем современных средств противоракетной обороны (ПРО) яв­ляется селекция высокоскоростных космиче­ских объектов на фоне ложных целей. Высоко­скоростные космические объекты на пассив­ном участке траектории полета представляют собой совокупность следующих элементов: истинная цель, тяжелая и легкая ложные цели и дипольный отражатель. На одну истинную цель количество тяжелых ложных целей со­ставляет около десяти единиц, легких ложных целей - несколько десятков, дипольных отра­жателей - сотни тысяч.

Перехват целей осуществляется на пре­дельных скоростях зенитной управляемой ра­кеты в условиях дефицита ее энергии, поэтому крайне важно проводить селекцию на внеат­мосферном участке полета или на участке с сильно разреженной атмосферой, что позволит получить некоторый запас времени для орга­низации обстрела цели [1].

На внеатмосферном участке цели име­ют примерно одинаковые радиолокационные «портреты», по которым сложно осуществить селекцию ложных целей. Дополнительные трудности для радиолокационных станций (РЛС) возникают при включении в состав сложных целей станций активных помех (САП), которые непременно присутствуют в комплексе средств преодоления ложных целей.

Перехват одной истиной цели - сложная задача, связанная с ограниченными вычисли­тельными и временными ресурсами современ­ного комплекса ПРО, многократно усложняю­щаяся при групповом налете.

В данной статье рассмотрена атмосфер­ная селекция, т. е. селекция, использующая в качестве критериев физические явления, свя­занные с входом быстролетящего тела в ат­мосферу и его движением в атмосфере. В со­временных системах ПРО применяются две группы признаков атмосферной селекции:

  • связанные с изменением характера движения тел при их входе в атмосферу и за­кономерностями их движения в атмосфере;
  • связанные с изменением радиофи­зических характеристик среды вокруг дви­жущегося в атмосфере тела и использующие радиотехнические характеристики сигнала, отраженного от вызванных этими изменения­ми плазменных образований (плазменной обо­лочки спутного следа).

К первой группе относятся алгоритмы селекции по баллистическому коэффициен­ту и высоте ориентации тел по набегающему потоку, ко второй - алгоритмы селекции по косвенной оценке массы и пространственно­спектральным характеристикам сигнала, отра­женного от спутного следа [2].

Цели настоящей работы: определить признаки идентификации целей на атмосфер­ном участке траектории и критерий приня­тия решения а также синтезировать алгоритм идентификации, оценить возможность его при­менения в цифровом вычислительном компью­тере современных информационных средств.

Алгоритм селекции по косвенной оценке массы

Наиболее устойчивым среди параметров, ко­торые могут быть различны для истинных и ложных целей, является масса цели. Произве­дем оценку массы цели, измерив радиотехни­ческими средствами баллистический коэффи­циент γ и эффективную площадь рассеяния (ЭПР) цели, используя известную связь вели­чины γ с массой цели т, площадью Sm миделя и коэффициентом Cx лобового сопротивления:

где g0 - ускорение свободного падения.

Проведенные исследования показали, что произведение CxSm может быть оценено через ЭПР σпл гиперзвуковой цели, окружен­ной плазменной оболочкой.

Физическое обоснование использования σпл для оценки произведения CxSm заключает­ся в том, что при наличии плотной плазмен­ной оболочки, имеющей отражающие свой­ства металлической поверхности, ЭПР цели определяется не материалом и отдельными деталями конфигурации цели, а свойствами, формой и геометрическими размерами плаз­менной оболочки, которая в основном повто­ряет форму ударной волны. Последняя, в свою очередь, тесно связана с коэффициентом лобо­вого сопротивления Cx с учетом того, что на рубежах образования плазменной оболочки цели в значительной степени стабилизируют­ся. Таким образом, наличие ударной волны позволяет связать σ^ с произведением CxSm зависимостью

Выразив из формулы (2) и подставив в формулу (1) Cx, получим:

где k - коэффициент, подобранный в ходе на­турных испытаний.

Выразим σпл из основного уравнения ра­диолокации и подставим в формулу (3):

где R - расстояние до цели, м;

Pt - мощность радиопередатчика, Вт;

S - уровень принимаемого сигнала, В.

Выделим признак косвенной оценки мас­сы km. Сделаем предположение, что истин­ные и ложные цели могут быть селектирова­ны по данному признаку. Для подтверждения предположения при отсутствии реальных сиг­налов используется модель измерителя РЛС Х-диапазона, одним из входных параметров которой является ЭПР плазменной оболочки цели. Таким образом, необходимо смодели­ровать процессы плазмообразования вокруг цели с произвольной геометрией на разных высотах, а также процессы распространения электромагнитной волны в слоях с высокой концентрацией ионов.

Моделирование эффективной площади рассеяния плазменной оболочки цели

Условия образования плазменной оболочки с высокой концентрацией электронов связа­ны с условием существования устойчивой ударной волны. Иными словами, высоты су­ществования плазмы зависят от поперечного размера цели (плазменная оболочка вокруг тел меньших размеров возникает на меньших высотах) (рис. 1) [3]. На рисунке также обо­значены условные поверхности разделения зоны отражения от плазмы на поверхности ударной волны и зоны поглощения в плаз­ме V1, зоны поглощения в плазме и зоны с не­устойчивой плазмой V2 и разделения зоны с неустойчивой плазмой и зоны без плазмы V3.

 

Рис. 1. Зоны возникновения плазменной оболочки и ее взаимодействия с электромагнитной волной в сечении высота - размер тела в зависимости от скорости:

1 - зона поглощения в плазме; 2 - зона с неустойчивой плазмой; 3 - зона без плазмы; 4 - зона отражения от плазмы на поверхности ударной волны

 

Для оценки влияния плазменной обо­лочки на значение ЭПР цели в пакете ANSYS Fluent была создана численная модель обте­кания твердого тела гиперзвуковым потоком.

При моделировании гиперзвукового по­тока необходимо учитывать газовый состав среды, а также химические реакции, протека­ющие за ударной волной при наличии высокой температуры. В условиях поставленной зада­чи основными реагирующими компонентами воздушной смеси являются O2, N2, ON, O, N, O+, N+, NO+, O2+, N2+, е. Все химиче­ские реакции являются обратимыми, реакции диссоциации протекают в присутствии тре­тьих тел. В данной модели рассматриваются реакции [4, 5]:

  • диссоциации O2 + M <=> 2O + M, N2 + + M <=> 2N + M, NO + M <=> N + O + M;
  • рекомбинации N2 + O <=> NO + N, O + + NO <=> N + O2;
  • ассоциативной ионизации N + O <=> <=> NO+ + е, N + N <=> N2+ + e, O + O <=> O2+.

Для сокращения времени, отводимого на расчеты, задача решалась в двухмерной осесимметричной постановке. Использова­лась расчетная сетка с высоким разрешением в области больших градиентов исследуемых параметров. Скорость цели принималась рав­ной 25 М. В таблице приведены начальные условия моделирования, на рис. 2 показаны результаты моделирования плазмообразования вокруг цели на высоте 100 км.

 

Начальные условия моделирования

Высота, м

Температура, K

Скорость звука, м/с

Давление, Па

Концентрация, %

O2

N2

e

40 000

250,4

317,2

287

23,3

76,7

29

60 000

247,0

315,1

22

23,3

76,7

31

80 000

198,6

282,5

1

23,3

76,7

-

100 000

196,6

-

3,1910-2

16,0

53,0

-

120 000

334,4

-

4 10-3

16,5

54,5

-

 

Рис. 2. Результаты моделирования плазмообразования на высоте 100 км: а - распределение температуры; б - распределение концентрации электронов; в - распределение диэлектрической проницаемости; г - распределение проводимости

 

Были условно выделены два слоя, эми­тируемые материалами с различными свой­ствами. В пакете ANSYS HFSS было проведено моделирование ЭПР истинной и ложной цели с учетом и без учета плазменной оболочки (рис. 3).

 

Рис. 3. Моделирование влияния плазменной оболочки на ЭПР цели

На рис. 4 представлена диаграмма ЭПР от передней до задней части целей. По дан­ным рис. 4 можно заключить, что при схожей геометрии носиков наличие плазменной обо­лочки на указанных высотах не сильно влия­ет на разницу между ЭПР тяжелой ложной и истинной целей. Таким образом, оценка ЭПР является стабильным критерием при наличии плазменной оболочки.

Результаты работы алгоритма

Селекция целей с близким значением балли­стического коэффициента показана на рис. 5. Критерием селекции является косвенная оценка массы, сформированная по взвешен­ному методу наименьших квадратов. В ка­честве информативного параметра выбра­на оценка баллистического коэффициента. Решающее правило D имеет два значения: 1 - принято решение о ложности целей, цель признана ложной; 0 - решение о ложности не принято. Распределение целей на истинные и ложные осуществляется посредством взве­шенного метода наименьших квадратов.

 

Рис. 5. Цели с близким значением баллистического коэффициента: а - график изменения коэффициента косвенной оценки массы km; б - график изменения решающего правила D

 

Аналогично на рис. 6 показана селекция целей с близким значением ЭПР. Здесь инфор­мативным параметром является оценка ЭПР плазменной оболочки: D = 0 обозначает ложь, D = 1 - истину.

 

Рис. 6. Цели с близким значением ЭПР плазменной оболочки: а - график изменения коэффициента косвенной оценки массы кт; б - график изменения решающего правила D

 

Исходя из полученных результатов, мож­но заключить, что оценка ЭПР цели с плаз­менной оболочкой позволяет проводить эф­фективную селекцию целей в верхних слоях атмосферы. Косвенная оценка массы является информативным признаком для проведения процедуры селекции целей обоих типов лож­ных целей. Полученные результаты позволили синтезировать алгоритм селекции целей, ко­торый может быть реализован в центральном вычислительном компьютере существующих и перспективных РЛС.

Заключение

В данной статье предложен алгоритм атмо­сферной селекции плазменных и тяжелых ложных целей на основе полученной от РЛС траекторной информации. Было проведе­но моделирование в пакетах Fluent и ANSYS HFSS для оценки концентрации электронов. Оценка ЭПР плазменной оболочки позволя­ет проводить эффективную селекцию целей в верхних слоях атмосферы. В случае когда ЭПР плазменной оболочки истинной и лож­ной целей имеют близкие значения, эффек­тивным признаком селекции является оценка баллистического коэффициента. Наиболее удачный признак для проведения процедуры селекции целей - косвенная оценка массы. На основе полученных результатов синтезиро­ван алгоритм селекции целей, который может быть реализован в центральном вычислитель­ном компьютере существующих и перспек­тивных пунктов управления или РЛС.

Список литературы

1. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. М.: Радио и связь, 1982. 624 с.

2. Ingwersen P.A., Lemnios W.Z. Radars for ballistic missile defence research // Lincoln Laboratory Journal. 2000. Vol. 12. Iss. 2. Pp. 245-265.

3. Rao B., Xiao S., Wang X. Maximum likelihood approach to the estimation and discriminationof exoatmospheric active phantom tracks using motion features // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 2012. Vol. 48. No. 1. Pp. 794-819.

4. Горелов В.А., Киреев А.Ю. Неравновесная ионизация при высокоскоростном входе летательных аппаратов в атмосферу Земли // Ученые записи ЦАГИ. 2007. Т. 38. № 1-2. С. 49-57.

5. Горелов В.А., Киреев А.Ю., Шведченко В. В. Особенности фотоионизации около высокоскоростных летательных аппаратов. Физико-химическая кинетика в газовой динамике // Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2011. Т. 12.


Об авторах

М. В. Маркова
ПАО «Научно-производственное объединение «Алмаз» имени академика А.А. Расплетина»
Россия


К. Ю. Сергунов
ПАО «Научно-производственное объединение «Алмаз» имени академика А.А. Расплетина»
Россия


Для цитирования:


Маркова М.В., Сергунов К.Ю. Решение задачи селекции путем оценки эффективной площади рассеяния плазменной оболочки. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017;(2):10-15.

For citation:


Markova M.V., Sergunov K.Y. Solving the discrimination problem by means of estimating the radar cross-section of a plasma sheath. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2017;(2):10-15. (In Russ.)

Просмотров: 48


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)