Электродинамические методы селекции целей

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.

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 E_φⁱⁿ = 0, E_θⁱⁿ ≠ 0, а второй - при E_φⁱⁿ ≠ 0, E_θⁱⁿ= 0.

На рис. 3 показана зависимость радиа­ционного сечения рассеяния (RCS) уголкового отражателя в бистатическом варианте локации от углов падающего излучения φ и рассеянно­го ф_г. 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 ≤ φ_r ≤ 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 ≤ θ_r ≤ 180°.

Как и в предыдущем случае изменения углов φ_r, 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, θ_r. 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, θ_r 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 φ_r, φ препятствие в виде по­перечного сечения ракеты. Для уголкового от­ражателя, как видно из рисунков, в случае из­менения углов θ, θ_r при фиксированных φ_r, 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, θ_r, 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, θ_r.

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.

Сечения рассеяния (в децибелах) для бистатической радиолокации объекта при различ­ных поляризациях приведены на рис. 12-21. Как и ранее, θ обозначает угол падения, а θ_r - 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 θ_r = 90° и θ = 90° расположены максимальные значения сечения рассеяния. Следовательно, если изменять угол падения θ от 0 до 180° и угол наблюдения θ_γ 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°, θ_r = 80 ... 20° и симметричной относитель­но главной диагонали области θ = 90 ... 160°, θ_r = 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.

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

Рассмотрим рассеяние в бистатической схеме радиолокации для двух различных углов падения при изменении угла наблюдения θ_r 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 θ_r ~ 127°, то во втором - в области θ_r ~ 45°.

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

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 θ_r 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.