Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Электродинамические методы селекции целей

Полный текст:

Аннотация

Рассмотрен новый электродинамический подход к селекции целей. Показано, что топологический портрет в случае p-поляризации для двух типов уголковых отражателей в определенном смысле противоположен случаю s-поляризации и, следовательно, можно проследить явную поляризационную зависимость топологических портретов уголкового отражателя.

Для цитирования:


Яцышен В.В., Гордеев А.Ю. Электродинамические методы селекции целей. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(1):61-68.

For citation:


Yatsyshen V.V., Gordeev A.Yu. Electrodynamic target selection techniques. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2016;(1):61-68. (In Russ.)

Данная статья написана в продолжение темы анализа электродинамических методов селек­ции целей, начатой в работах [1, 2]. В частно­сти, в них был рассмотрен метод поляризаци­онной дистанционной диагностики объектов [1] и изложен способ решения задачи о рассе­янии поляризованного электромагнитного из­лучения объектами - уголковым отражателем и ракетой, представлены угловые спектры радиационного сечения рассеяния для случая моностатической радиолокации [2]. В насто­ящей работе приведены результаты расчетов для случая бистатической радиолокации тех же объектов. Геометрия решаемой задачи пред­ставлена на рис. 1.

 

Рис. 1. Геометрия рассеяния в бистатической радиолокации: φ, θ - сферические угловые координаты направления падающего излучения; φr, θ- сферические угловые координаты рассеянного излучения

 

Подход к изучению рассеянного электро­магнитного излучения, а также бистатическая радиолокация не являются чем-то новым в радиолокации. По данным темам существу­ет множество работ, в первую очередь зару­бежных [3-9]. Исследования влияния различ­ных поляризаций зондирующего излучения на характер получаемой радиолокационной кар­тины проводили ранее (правда, в несколько другом разрезе), например, в работах [7, 8]. Особенностью предлагаемого подхода явля­ется анализ топологического портрета рас­сеянного излучения, сформированного двумя углами, изменяющимися в широком диапазоне значений, - углом падения и углом рассеяния при различных поляризациях зондирующего излучения. Как показано ниже, для различных объектов эти портреты столь же уникальны, как отпечатки пальцев.

Проанализируем результаты расчетов, представленные на рис. 2-9. На них указа­на поляризация падающего излучения - p или s. Первый случай соответствует ори­ентации вектора поля падающего излуче­ния при Eφin = 0, Eθin ≠ 0, а второй - при Eφin ≠ 0, Eθin= 0.

 

Рис. 2. Радиационное сечение рассеяния уголкового отражателя. Бистатическая геометрия, р-поляризация. Зависимость от углов φr, φ, град Двумерная картина

 

 

Рис. 3. Радиационное сечение рассеяния уголкового отражателя. Бистатическая геометрия, 5-поляризация. Зависимость от углов φr, φ, град

 

 

Рис. 4. Радиационное сечение рассеяния уголкового отражателя. Бистатическая геометрия, р-поляризация. Зависимость от углов θ, θr, град

 

 

Рис. 5. Радиационное сечение рассеяния уголкового отражателя. Бистатическая геометрия, 5-поляризация. Зависимость от углов θ, θr, град

 

 

Рис. 6. Радиационное сечение рассеяния ракеты. Бистатическая геометрия, р-поляризация. Зависимость от углов φr, φ, град

 

 

Рис. 7. Радиационное сечение рассеяния ракеты. Бистатическая геометрия, s-поляризация. Зависимость от углов φr, φ, град

 

 

Рис. 8. Радиационное сечение рассеяния ракеты. Бистатическая геометрия, р-поляризация. Зависимость от углов θ, θr, град

 

 

Рис. 9. Радиационное сечение рассеяния ракеты. Бистатическая геометрия, s-поляризация. Зависимость от углов θ, θr, град

На рис. 3 показана зависимость радиа­ционного сечения рассеяния (RCS) уголкового отражателя в бистатическом варианте локации от углов падающего излучения φ и рассеянно­го фг. Заметно, что топологический рисунок в случае уголкового отражателя сильно зависит от характера поляризации падающего излу­чения. В этом смысле весьма показательны двумерные рисунки, демонстрирующие пре­имущество использования поляризованного излучения перед неполяризованным - в первом случае отчетливо виден векторный характер электромагнитного поля. Назовем для кратко­сти эти двумерные рисунки топологическим портретом рассеянного электромагнитного поля (по аналогии с фазовым портретом в те­ории колебаний).

На рис. 2, 3 видно, что на топологиче­ском портрете в случае p-поляризации в центре картины наблюдается выраженный максимум в виде линии, которая растянута от левого ниж­него в правый верхний угол, при этом он более выражен в центре, чем по краям. В случае s-поляризации, наоборот, в центре портрета расположена область минимума, которая по той же диагонали сменяется овальными обла­стями максимума сечения рассеяния. Таким образом, прослеживается явная поляризаци­онная зависимость топологических портретов рассеяния для уголкового отражателя.

Аналогичная зависимость для рассея­ния на ракете приведена на рис. 6. Здесь так­же можно наблюдать определенное различие топологических портретов для разных поля­ризаций. Однако весьма существенно разли­чаются топологические портреты уголкового отражателя и ракеты (см. двумерные картины на рис. 2, 6 и рис. 3, 7).

Расчет портретов проводили при сле­дующих условиях: зондирующее излучение падало под фиксированным углом θ = 45°, угол φ изменялся в диапазоне 0 ≤ φ ≤ 180°. Угол рас­сеяния φ, в бистатической радиолокации изме­нялся в пределах 0 ≤ φr ≤ 180°. Данный случай будем называть азимутальной бистатической радиолокацией.

Зависимости RCS уголкового отражателя и ракеты, дБ, в бистатическом варианте лока­ции от углов падающего излучения θ и рас­сеянного θ, показаны на рис. 4, 5 и рис. 8, 9. Этот случай назовем полярной бистатической радиолокацией. Зондирующее излучение пада­ет под фиксированным углом φ = 45°, а угол θ изменяется в диапазоне 0 ≤ θ ≤ 180°.Угол рассеяния θ, в бистатической радиолокации также изменяется в пределах 0 ≤ θr ≤ 180°.

Как и в предыдущем случае изменения углов φr, φ, здесь наблюдается зависимость радиационного сечения рассеяния от поляриза­ции для уголкового отражателя. Однако теперь для р-поляризации в центре топологического портрета существует область минимума в виде бабочки, в то время как для изменяющихся углов ранее наблюдалась область максимума. В случае s-поляризации в центре портрета можно увидеть обширную область максиму­ма в противоположность рассмотренной ранее области минимума для изменяющихся углов θ, θr. Такая специфика расположения областей максимума и минимума при выборе способа изменения падающих углов и углов рассея­ния дает дополнительную информацию о рас­сеивающем объекте, в данном случае - угол­ковом отражателе. Топологический портрет, содержащий в этом случае две достаточно четко разделяемые области максимума и ми­нимума, можно объяснить интерференцией дифрагированного электромагнитного поля на небольшом препятствии - уголковом отража­теле. Более сложную дифракционную картину, содержащую множество интерференционных максимумов и минимумов, можно наблюдать в случае изменения углов θ, θr при зондирова­нии ракеты. Причина в том, что в этом вари­анте дифракционное препятствие (продольная проекция ракеты) во много раз превышает в размерах рассмотренное выше для случая изменения углов φr, φ препятствие в виде по­перечного сечения ракеты. Для уголкового от­ражателя, как видно из рисунков, в случае из­менения углов θ, θr при фиксированных φr, φ можно наблюдать взаимно противоположный характер топологических портретов для раз­личных поляризаций. Что касается ракеты, то в этом варианте бистатической радиолокации при сравнительно большом продольном раз­мере ракеты дифракционная картина практи­чески не зависит от вида поляризации. Следует заметить, что зондирование, связанное с изме­нением углов θ, θr, дает более слабые значения радиационного сечения рассеяния по сравне­нию с полярной радиолокацией. И если в пер­вом случае максимальные значения RCS, дБ, отрицательные, то во втором они достигают в максимуме нескольких десятков. На рис. 10 приведена трехмерная картина рассеяния угол­ковым отражателем s-поляризованного зонди­рующего излучения в бистатической геоме­трии и зависимости от углов θ, θr.

 

Рис. 10. Радиационное сечение рассеяния ракеты, 3D-изображение. Бистатическая геометрия, s-поляризация. Зависимость от углов θ, θr, град

 

Помимо изучения упомянутых выше стандартного уголкового отражателя (в про­екциях представляющего собой квадрат, пе­ресеченный диагоналями и составленный из восьми треугольных уголков [2]) и ракеты, было проведено исследование рассеяния по­ляризованного электромагнитного излучения с частотой 0,5 ГГц уголковым отражателем другого вида (рис. 11). Отражатель представ­ляет собой три взаимно перпендикулярных металлических квадрата со сторонами 0,6 м и толщиной плоскости 6 мм.

 

Рис. 11. Модель отражателя из взаимно перпендикулярных плоскостей, проходящих через середины его квадратных проекций

 

Сечения рассеяния (в децибелах) для бистатической радиолокации объекта при различ­ных поляризациях приведены на рис. 12-21. Как и ранее, θ обозначает угол падения, а θr - угол рассеяния в бистатической схеме радио­локации, град. При этом считаем угол φ рав­ным 45°. Напомним, что частота зондирующе­го излучения принята равной 0,5 ГГц.

Двумерная топологическая картина рассеяния в случае s-поляризации показана на рис. 12. В достаточно широкой области около точек θr = 90° и θ = 90° расположены максимальные значения сечения рассеяния. Следовательно, если изменять угол падения θ от 0 до 180° и угол наблюдения θγ от 180° до 0, то, говоря «геометрическим» языком, двигаясь из верхнего левого угла топологи­ческой двумерной картины сечения рассея­ния в правый нижний, можно увидеть область сильного отражения. В области θ = 20 ... 90°, θr = 80 ... 20° и симметричной относитель­но главной диагонали области θ = 90 ... 160°, θr = 150 ... 90° есть островки минимального отражения. Аналогичная картина сложилась вблизи левого верхнего и нижнего правого углов. Если посмотреть на рис. 14, то можно заметить различия между картиной отраже­ния в случае s- и p-поляризации. В частности, по главной диагонали отсутствуют облас­ти минимума, есть только максимумы. Об­ласти минимумов отражения расположены симметрично относительно второй диагона­ли, и отличаются они от аналогичных обла­стей при p-поляризации тем, что занимают более узкие продолговатые участки. Следовательно, различия в топологиях рассеяния s- и д-поляризации дают важную информацию о характере отражателя.

 

Рис. 12. Радиационное сечение рассеяния уголкового отражателя из взаимно перпендикулярных плоскостей. Бистатическая геометрия, д-поляризация. Зависимость от углов θ, θr, град

 

На рис. 13 и 15 изображены поверхности сечения рассеяния в координатах θ, θr.

 

Рис. 13. Радиационное сечение рассеяния уголкового отражателя из взаимно перпендикулярных плоско­стей, 3D-изображение. Бистатическая геометрия, д-поляризация. Зависимость от углов θ, θr, град

 

Рассмотрим рассеяние в бистатической схеме радиолокации для двух различных углов падения при изменении угла наблюдения θr от 0 до 180°. На рис. 16 приведены графики зави­симости сечения рассеяния от угла при θ = 0° и θ = 15° для p-поляризации, а на рис. 17 - для s-поляризации. Видно, что если в первом слу­чае для θ = 0 минимум наблюдается в области θr ~ 127°, то во втором - в области θr ~ 45°.

 

Рис. 16. Графики зависимостей радиационного се­чения рассеяния уголкового отражателя от угла на­блюдения θr для двух различных углов падения (обозначены IncAngle). Бистатическая геометрия, p-поляризация:

1 - IncAngle = 0; 2 - IncAngle = 15°

 

 

Рис. 17. Графики зависимостей радиационного се­чения рассеяния уголкового отражателя от угла на­блюдения 0Γ для двух различных углов падения (обозначены IncAngle). Бистатическая геометрия, s-поляризация:

1 - IncAngle = 0; 2 - IncAngle = 15°

 

Кроме того, на рис. 14 и рис. 18-21 замет­ны различия в картинах рассеяния при разных углах падения.

 

Рис. 14. Радиационное сечение рассеяния уголкового отражателя из взаимно перпендикулярных плоскос­тей. Бистатическая геометрия, s-поляризация. Зависимость от углов θ, θr, град

 

 

Рис. 15. Радиационное сечение рассеяния уголкового отражателя из взаимно перпендикулярных плоскостей, 3D-изображение. Бистатическая геомет­рия, s-поляризация. Зависимость от углов θ, θr, град

 

 

Рис. 18. Графики зависимостей радиационного се­чения рассеяния уголкового отражателя от угла на­блюдения θr для двух различных углов падения (обозначены IncAngle). Бистатическая геометрия, p-поляризация:

1 - IncAngle = 0; 2 - IncAngle = 15°

 

 

Рис. 19. Графики зависимостей радиационного се­чения рассеяния уголкового отражателя от угла на­блюдения θr для двух различных углов падения (обозначены IncAngle). Бистатическая геометрия, s-поляризация:

1 - IncAngle = 0; 2 - IncAngle = 15°

 

 

Рис. 20. Графики зависимостей радиационного сечения рассеяния уголкового отражателя от угла наблюдения θr для двух различных углов падения (обозначены IncAngle). Бистатическая геометрия, р-поляризация:

1 - IncAngle = 0; 2 - IncAngle = 60°

 

 

Рис. 21. Графики зависимостей радиационного сечения рассеяния уголкового отражателя от угла наблюдения θr для двух различных углов падения (обозначены IncAngle). Бистатическая геометрия, s-поляризация:

1 - IncAngle = 0; 2 - IncAngle = 60°

 

Такого рода зависимости могут быть ис­пользованы для распознавания ложных целей по специфике угловых зависимостей сечения рассеяния для различных поляризаций зонди­рующего излучения.

Вывод

Проведенный анализ позволит разработать стратегию обнаружения цели на фоне искус­ственного объекта с помощью управляемого изменения падающих и рассеянных углов (углов наблюдения) в соответствии с обна­руженным особенностями топологических портретов рассеивающих объектов. Страте­гия, связанная с изменением углов θ и θr по правилу, соответствующему движению вдоль диагонали топологического портрета рассея­ния из верхнего левого угла в нижний правый, позволяет идентифицировать в качестве рас­сеивающего объекта именно ракету. Согласно представленным данным, могут быть разрабо­таны и другие стратегии поляризационной бистатической радиолокации.

Данная методика с успехом применима как в случае неподвижных, разнесенных друг от друга излучающей и приемной антенн РЛС (в этом случае топологический портрет рассе­яния можно построить лишь в определенном диапазоне углов падения и рассеяния исключи­тельно за счет собственного движения и манев­рирования цели), так и - с еще большей эффек­тивностью - в случае движущихся источников и/или приемников зондирующего излучения за счет чисто геометрически расширенных возможностей по анализу рассеянного излу­чения.

Список литературы

1. Гордеев А. Ю., Яцышен В. В. Радиолокация при наличии пассивных помех с помощью поляризованных электромагнитных волн и анализа рассеянного излучения // Вестник ВолГУ. 2012. Сер.10. Вып. 6. С. 65–67.

2. Гордеев А. Ю., Яцышен В. В. Перспективные методы повышения эффективности подавления пассивных помех системами селекции движущихся целей // Электромагнитные волны и электронные системы. 2015. Т. 20, № 3. С. 40–52.

3. Doviak R. J., Weil C. M. Bistatic radar detection of the melting layer // Journal Appl. Meteor. 1972. No. 11. P. 1012–1016.

4. Doviak R. J., Goldhirsh J., Miller A. R. Bistatic radar detection of high-altitude clearair atmospheric targets // Radio Sci. 1972. P. 993–1003.

5. Wurman J., Heckman S., Boccipio D. A bistatic multiple-doppler radar network // Journal Appl. Meteor. 1993. No. 32:12. P. 1802–1814.

6. Kulie M. S., Michael J. Hiley, Bennartz R., Kneifel S., Tanelli S. Triple-Frequency Radar Reflectivity Signatures of Snow: Observations and Comparisons with Theoretical Ice Particle Scattering Models // Journal Appl. Meteor. 2004. Vol. 43. No. 8. Р. 1080–1098.

7. Battaglia A., Haynes J. M., L'Ecuyer T., Simmer C. Identifying multiple-scattering-affected profiles in CloudSat observations over the oceans // Journal of Geophysical Research. 2008. Vol. 113. Iss. D8. DOI: 10.1029/2008JD009960.

8. Battaglia A., Tanelli S., Kollias P. Polarization Diversity for Millimeter Spaceborne Doppler Radars: An Answer for Observing Deep Convection // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2013. Vol. 30. No. 12. Р. 2768–2787.

9. Görsdorf U., Lehmann V., Bauer-Pfundstein M., Gerhard P., Vavriv D., Vinogradov V., Volkov V. A 35-GHz Polarimetric Doppler Radar for Long-Term Observations of Cloud ParametersDescription of System and Data Processing // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2015. Vol. 32. No. 4. Р. 675–690. DOI: 10.1175/JTECH-D-14-00066.1.


Об авторах

В. В. Яцышен
ФГАУ ВПО «Волгоградский государственный университет»

Яцышен Валерий Васильевич – доктор технических наук, профессор кафедры судебной экспертизы и физического материаловедения

Область научных интересов: исследование влияния эффектов неоднородности, нелинейности и пространственной дисперсии на электромагнитные свойства сред, исследование распространения и рассеяния электромагнитных волн в нелинейных средах, нелинейная радиолокация, математическое моделирование процессов в физике, методы квантово-механического расчета электромагнитных свойств материальных сред.

г. Волгоград



А. Ю. Гордеев
ФГБОУ ВО «Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники»

Гордеев Алексей Юрьевич – аспирант кафедры теоретической радиотехники и радиофизики

Область научных интересов: программируемые сигнальные процессоры, радиофизика, радиотехнические системы, радиолокация, цифровая электроника, параллельные вычисления, цифровая обработка сигналов, системы искусственного интеллекта, численные методы и математическое моделирование.

г. Москва



Для цитирования:


Яцышен В.В., Гордеев А.Ю. Электродинамические методы селекции целей. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2016;(1):61-68.

For citation:


Yatsyshen V.V., Gordeev A.Yu. Electrodynamic target selection techniques. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2016;(1):61-68. (In Russ.)

Просмотров: 34


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


ISSN 2542-0542 (Print)