Электродинамические методы селекции целей – анализ градиентов

В данной статье продолжено рассмотрение методик распознавания объектов по радио­локационным портретам, полученным при исследовании рассеянного зондирующего по­ляризованного излучения в бистатической ра­диолокации. В предыдущей публикации [1] были рассмотрены сечения рассеяния ракеты и уголкового отражателя, получаемые при зон­дировании их s- и p-поляризованными волнами. На полученных в работе [2] картинах весьма четко было видно различие между исследуемы­ми объектами, заключающееся в разных уров­нях интенсивности рассеянного поляризован­ного излучения для одних и тех же углов θ и φ (напоминаем, что θ - это угол места, а φ - азимутальный угол). Иначе говоря, совокупность значений интенсивности рассеянного излуче­ния для разных объектов при одних и тех же углах зондирования и приема дает совершен­но уникальный портрет для каждого из этих объектов, позволяющий хорошо их различить.

Изменение указанных углов, причем как зондирующих, так и углов рассеяния, для ис­следуемых радиолокационных объектов про­исходит за счет их движения, причем чем быстрее движется объект, тем в большем ди­апазоне изменяются углы облучения и рассе­яния в единицу времени и тем быстрее фор­мируется портрет - это простейший случай неподвижных передающей (зондирующей) и принимающей радиолокационной станции (РЛС). Каждая из этих РЛС может двигаться самостоятельно, обеспечивая дополнительно за счет своего движения изменение соответ­ственно либо углов падения, либо углов рас­сеяния, либо и тех, и других одновременно. Кроме того, как отмечено в работе [1], такой способ радиолокации позволяет однозначно отличить некоторый помехосоздающий объ­ект (не обязательно уголковый отражатель, как в работе [1], он был дан в качестве примера для демонстрации метода) от реальной цели. Прав­да, предложенный метод не позволяет иденти­фицировать такие объекты, как «ангелы», об­лака и другие, в силу априорной аморфности данных образований, но искусственно создан­ные помехосоздающие объекты, как было про­демонстрировано в работах [1, 2], он позволяет идентифицировать совершенно точно. Кроме того, метод имеет преимущество: позволяет различить объекты самых разных типов, в том числе осуществить селекцию нескольких раз­ных целей типа «стелс», имеющих близкие по значению малые поперечные сечения рас­сеяния при 180°-отражении (0°-рассеянии).

Однако у предложенной методики суще­ствуют и определенные недостатки. Основной недостаток заключается в том, что для точной идентификации априори неизвестного объек­та следует использовать зондирование мини­мум двумя типами импульсов соответственно с  s- и p-поляризацией, а также в достаточно широком диапазоне углов. Конечно, измене­ние углов зондирования и приема в наиболее распространенном случае стационарных РЛС создается за счет движения самого идентифи­цируемого объекта, как было сказано выше, однако с учетом современных управляемых ракет, причем не только крылатых, но и так­тических (ТР), оперативно-тактических (ОТР), а также боеголовок баллистических ракет (БР), которые могут летать по весьма сложным тра­екториям, в том числе и с огибанием рельефа местности, время зондирования подобного объекта существенно сокращается.

Построение портрета объекта по факти­ческим значениям интенсивности рассеянно­го сигнала помимо достаточного числа точек (в данном случае углов зондирования и рас­сеяния) требует обработки достаточно боль­ших изображений, что также повышает время идентификации. Важно отметить, что в случае ограниченной выборки данных о рассеянном излучении для совершенно разных объектов могут быть примерно одинаковые значения интенсивности рассеянного излучения, причем не за счет схожей формы, а за счет, например, разных размеров и разного (причем соответ­ствующим образом пропорционального) рас­стояния до РЛС, когда несколько точек могут слиться для более дальней цели в одну, разных размеров и материала, покрывающего объекты, расстояния и материала. Для идентификации целей типа «стелс», имеющих слабоотража- ющие покрытия и соответствующую форму, движущихся по сложным низковысотным тра­екториям, следует использовать методику об­лучения - приема, позволяющую идентифи­цировать объект по весьма малой выборке входных данных рассеянного сигнала, при этом не привязываясь к конкретным значени­ям интенсивности рассеянного сигнала. Такую возможность дает метод, подразумевающий рассмотрение градиентов, т. е. относительных изменений интенсивности рассеянного излуче­ния, при экстремально малых изменениях угла зондирования и угла наблюдения рассеянного излучения.

Как будет показано ниже, портрет, фор­мируемый градиентами рассеянного опреде­ленным объектом излучения, столь же уни­кален, как и портрет сечения рассеяния этого объекта, полученный на основе анализа интен­сивностей рассеянного излучения при тех же углах зондирования и рассеяния.

Градиентный подход позволяет в опреде­ленной степени абстрагироваться от конкрет­ных значений интенсивности и достаточно точно идентифицировать объект по весьма не­большому числу точек портрета сечения рас­сеяния, т. е. за меньшее время зондирования, чем в рассмотренном ранее случае.

Теперь перейдем непосредственно к опи­санию предлагаемого подхода и рассмотрению полученных результатов.

В работе [2] описана процедура получе­ния интегрального уравнения для поверхност­ного тока:

Уравнение решается методом моментов. По­сле получения его численного решения вы­числяется созданный этим поверхностным током векторный потенциал:

Вектора поля находят с помощью потен­циалов электромагнитного поля:

С учетом лоренцевской калибровки по­тенциалов электромагнитного поля

можно выразить скалярный потенциал через векторный

Тогда вектор поля можно выразить только че­рез векторный потенциал

Подставив в эту формулу выражение для векторного потенциала, получим окончатель­ную формулу для рассеянного поля:

В интересующей нас дальней зоне доста­точно знать только вектор E_s , а вектор H_s можно найти, исходя из того, что электромаг­нитное поле в дальней зоне является плоской волной:

Здесь Z - импеданс среды (в данном случае - воздуха), в которой распространяется волна.

По рассчитанному полю уже вычисля­ют его градиенты вдоль осей координат. Рас­чет проведен с помощью функций MATLAB. В данном случае градиент вдоль оси х опи­сывает быстроту изменения полей s- и p-поляризации вдоль оси угла падения. Градиент вдоль оси у - соответствующие изменения вдоль оси угла отражения. Картины градиен­тов, рассмотренные в настоящей работе, пока­зывают, насколько сильно меняются сами поля при изменении углов падающего излучения и рассеяния. Для бистатической радиолока­ции такие картины дают достаточно полную информацию. Следует особо подчеркнуть, что картина градиентов дополняет соответствую­щую картину самих полей - топологических портретов и в совокупности с ними дает очень чувствительный инструмент для идентифика­ции цели и отличия ее от ложного искусствен­ного объекта.

Геометрия бистатической радиолокации и анализируемые объекты в настоящей работе такие же, как и в предшествующей [1].

Основное внимание уделим анализу то­пологического портрета градиентов рассе­янного от объекта электромагнитного поля. На основании полученной зависимости ради­ационного сечения рассеяния (RCS) от углов φ_r (угол рассеяния), (φ_j (угол падения) [1] было построено векторное поле градиентов в пло­скости углов φ_r, φ_j. Эти градиенты характе­ризуют скорость и направление наибольшего изменения сечения рассеяния при соответству­ющих фиксированных углах φ_j и φ_r. Однако для практического анализа удобнее использо­вать скалярные поля, нежели векторные, по­этому вместо построенного векторного поля градиентов рассмотрим два скалярных поля, представляющих собой проекции градиентов на осях X и Y. Эти величины характеризуют скорости изменения сечения рассеяния вдоль соответственно координаты х (угол падения φ_j) и у (угол рассеяния φ_r).

Имея картину градиентов в пространстве углов падения и рассеяния, можно получить топологический портрет эффективного сече­ния рассеяния при движении в любом задан­ном направлении в этой плоскости, выбирая наиболее эффективную стратегию идентифи­кации объекта рассеяния. Другими словами, можно классифицировать объект на основа­нии анализа характера изменения проекций градиента его RCS в определенных областях плоскости (φ_j, φ_r) даже при в небольшом диа­пазоне изменений данных углов при условии существенных значений этих проекций.

На рис. 1-6 показаны зависимость эф­фективного сечения рассеяния уголкового от­ражателя и топологическая картина распреде­ления градиентов в бистатическом варианте локации от углов падающего φ_j и рассеянного φ_r излучения для случаев s- и р-поляризации. Аналогично на рис. 7-12 показаны зависимость эффективного сечения рассеяния баллистиче­ской ракеты и топологическая картина распре­деления градиентов в бистатическом варианте локации от углов падающего излучения φ_j и рас­сеянного - φ_r для случаев s- и р-поляризаций.

Из представленных топологических пор­третов градиентов радиационного сечения рас­сеяния ясно видна высокая чувствительность предлагаемого метода для селекции целей. Дей­ствительно, рис. 2 демонстрирует, что наиболее сильное изменение RCS при s-поляризации зон­дирующей волны вдоль оси X (т. е. при измене­нии падающего угла φ_j ) наблюдается в окрест­ности точек плоскости (φ_j, φ_r) с координатами (10°, 40°); (100°, 130°), (110°, 45°). Здесь градиент по X положителен и имеет значение прибли­зительно 40...50 дБ/град. Наибольшие отри­цательные значения градиента, т. е. наиболь­шие изменения RCS в сторону уменьшения, наблюдаются в окрестности точек (90°, 45°) и (175°, 145°) и составляют -50 дБ/град. Менее сильный спад можно наблюдать в окрестности точки (70°, 130°) - порядка - 40 дБ/град.

Следует подчеркнуть, что интерес с точ­ки зрения изменения величины RCS представ­ляют как резкое увеличение его значения, так и резкое уменьшение. Такие области позволя­ют формировать стратегии анализа картины рассеяния в наиболее контрастных областях плоскости (φ_j, φ_r). Иначе говоря, получив даже неполную картину резких изменений RCS, с учетом четко определенных угловых коор­динат цели (четко определенных значений (φ_j, φ_r )) можно произвести корреляцию с набором эталонных портретов градиентов RCS для раз­личных объектов, тем самым довольно точно распознать обнаруженную цель.

Картина градиентов для баллистической ракеты (см. рис. 7-12) существенно отличается по топологии от случая уголкового отражателя. Для наглядности приведены сводные таблицы, содержащие некоторые характеристики наи­более характерных областей топологических портретов градиентов радиационного сечения рассеяния для обоих объектов. Для экономии места в таблицах для каждого рисунка выде­лено лишь по одному максимуму и минимуму.

Для уголкового отражателя данные помеще­ны в табл. 1, а для баллистической ракеты - в табл. 2.

Стоит сказать несколько слов о проце­дуре нахождения углов φ_j и φ_r. Для их на­хождения необходимо найти так называемый бистатический угол β, а точнее его проекцию на земную поверхность β_χγ (нужен плоский азимутальный угол, поскольку рассматрива­емые выше углы падения и рассеяния пред­ставляют собой плоские азимутальные углы) в наиболее распространенной геометрии для случая неподвижных зондирующей и прием­ной РЛС (рис. 13).

На рис. 13 через L обозначается расстоя­ние между зондирующей и приемной РЛС, че­рез r₁ и r₂ - соответственно расстояния между зондирующей РЛС и объектом и между прием­ной РЛС и объектом, θ_R - угол места, под кото­рым наблюдается цель в приемной РЛС, если точнее - угол между нормалью к поверхности раскрыва приемной антенны в ее центре и вер­тикальной осью Z в точке нахождения РЛС.

В работах [3-5] показано, что все необ­ходимые величины r₁, r₂ и β могут быть легко найдены, если известны θ_R (или θ_T - анало­гичный угол места для зондирующей РЛС), а также время запаздывания Δt между прямым сигналом от зондирующей РЛС и эхо-сигналом от цели.

Еще один вариант нахождения углов φ_j и φ_r - это использование какой-либо из составлящих бистатическую систему РЛС в моностатическом режиме с определением угловых координат цели, либо для увеличения точно­сти использования каждой из РЛС в моностатическом режиме, либо поочередно и т. д.

С увеличением числа РЛС (как зондирующих, так и приемных) в мультистатических радио­локационных системах повышается точность нахождения углов φ_j и φ_r в каждой бистатической паре, а также число получаемых одно­временно параметров движущейся цели [6-9] и в том числе число одновременно получае­мых точек RCS наблюдаемого объекта, а сле­довательно, и его градиентных портретов. При использовании в современных мультистатических радарных сетевых системах активных фазированных антенных решеток с очень уз­кими диаграммами направленности приемных и передающих антенн в задаваемых направле­ниях точность определения φ_j и φ_r резко уве­личится, а с учетом возможности электронного безынерционного сканирования также резко возрастет скорость получения данных сечения рассеяния RCS цели.

Необходимо также сказать несколько слов о режиме работы бистатической/мультистатической РЛС в условиях применения предлагаемого метода исследования сечения рассеяния объекта при зондировании его двумя типами плоскополяризованных волн. В связи с тем, что передающая и приемная антенны су­щественно разнесены в пространстве, а также с тем, что основную информацию в рассма­триваемом режиме несут именно физические характеристики принимаемых электромагнит­ных волн (ЭМВ), в частности интенсивность, зондирующая РЛС должна работать в режи­ме непрерывного излучения/подсвета цели, а в действительности - в режиме следящей РЛС подсвета.

Существует еще одно обстоятельство, ко­торое необходимо учитывать при такого рода работе бистатической РЛС. Как уже было ска­зано в начале статьи, для сколько-нибудь при­емлемой идентификации современных целей, движущихся с высокими скоростями, выпол­ненных по «стелс»-технологии, да еще и в ре­жиме огибания рельефа местности, когда воз­можности для зондирования таких объектов резко сокращаются и соответственно резко уменьшается число точек даже на портре­те градиентов сечения рассеяния, необходи­мо иметь как можно больше изменяющихся во времени входных данных в приемной РЛС, причем эти данные должны обладать как мож­но большей временной и пространственной непрерывностью поступления. При исполь­зовании импульсных излучающих РЛС такие требования невозможно удовлетворить в прин­ципе. Что касается конкретного вида непре­рывного зондирующего сигнала, то данный во­прос вплотную пока не рассматривался, однако для того, чтобы приемная РЛС могла получать информацию не только из физических параме­тров рассеянного излучения, но и из радиотех­нических, возможно применение, например, пилообразного ЛЧМ-модулированного сигна­ла, шумоподобных сигналов на основе кодов Баркера или m-последовательности и др.

В схеме бистатической и мультистати- ческой радиолокации крайне важна полная синхронизация зондирующего и опорных сигналов - только в этом случае, как будет показано в отдельной статье, можно полу­чить чрезвычайно информативную динами­ческую картину рассеянного поля во многих разделенных точках приема сигнала, которая позволит идентифицировать объект рассея­ния с высокой точностью. Передающая РЛС должна передавать полностью синхронизи­рованный с зондирующим прямой опорный непрерывный сигнал такого же, как и зонди­рующий, вида на приемную (или приемные) РЛС, для извлечения информации о скорост­ных и дальностно-угловых параметров цели из разницы прямого и рассеянного зондиру­ющего сигналов. При этом также необходимо передавать на приемную РЛС по отдельному радиоканалу параметры ориентации излуча­ющей антенны в пространстве или параметры диаграммы направленности в случае антенны с ФАР. Приемная антенна предполагается не­подвижной.

Подводя итог, можно сделать однознач­ный вывод, что с учетом использования но­вейших технологий в бистатических или муль­тистатических радарных системах, а также используя зондирование с разными типами по­ляризации и градиентный подход к определе­нию наиболее характерных областей радиоло­кационного портрета объекта, можно получить беспрецедентные возможности по идентифи­кации этого объекта.