Для точного определения вторичного электромагнитного поля в месте расположения приемного устройства РЛС необходимо решить задачу отражения электромагнитной волны от локационных объектов, которые, как правило, имеют сложную конфигурацию. Решить эту задачу с достаточной точностью не всегда удается, поэтому необходимо найти такую характеристику отражающих свойств объекта, которая позволяла бы сравнительно просто определить интенсивность вторичного электромагнитного поля в месте приема.

Схематически взаимодействие локационной станции с объектом показано на Рис.2.2.

Рис.2.2. Взаимодействие РЛС с отражающим объектом

Передающее устройство создает у отражающего объекта плотность потока мощности П1. Отраженная электромагнитная волна создает в месте расположения приемной антенны локационной системы плотность потока мощности П2 .

Необходимо найти величину, которая рациональным образом связывала потоки П1 и П2 . В качестве такой величины выбрана эффективная площадь рассеяния (ЭПР) - Sэ.

Эффективную площадь рассеяния можно рассматривать как площадь площадки, расположенной перпендикулярно падающей на нее электромагнитной волне, которая при изотропном рассеивании всей падающей на нее мощности создает в точке расположения приемника РЛС ту же плотность потока мощности П2 ,что и реальный отражающий объект. Величину Sэ называют также «эффективной поверхностью», «эффективной поверхностью вторичного излучения» или «эффективной отражающей поверхность».

Величину Sэ можно определить из соотношения Sэ П1=4p R2 П2 ,

Sэ=4pR2П2,/П1 (2.1)

Эффективную площадь рассеяния можно выразить через напряженности электрического и магнитного полей (E1 и H1) прямой волны в точке расположения объекта и через напряженности электрического и магнитного полей (E2,и H2) отраженной волны в точке расположения РЛС.

Sэ= 4p R2 E2 2/E1 2 =4p R2H2 2/H1 2.

Как следует из формулы (2.1), Sэ имеет размерность площади. Если линейные и угловые размеры объекта меньше размеров разрешающго объема РЛС по дальности и угловым координатам, величина эффективной площади рассеяния не зависит от дальности до отражающего объекта. Однако, как видно из Рис.2.2., величина ЭПР зависит от ориентации объекта относительно передатчика и приемника локационной системы, Sэ=Sэ(q). В общем случае, при произвольной ориентации объекта в пространстве ЭПР зависит от трех углов: углов визирования отражающего объекта в пространстве a и b ,и угла крена объекта e: Sэ=Sэ (a, b, e).

Для реальных отражающих объектов зависимость эффективной площади рассеяния от углов облучения определяют экспериментально. Так, если поворачивать отражающий объект относительно направления на приемо-передатчик, можно снять диаграмму обратного вторичного излучения Sэ(q). Для большинства аэродинамических объектов(самолетов) диаграмма обратного вторичного излучения сильно изрезана; диапазон изменения эффективной площади рассеяния велик и достигает 30 - 35 децибел.

Для отражателей простейшей конфигурации эффективная отражающая площадь может быть рассчитана теоретически. К таким отражателям, в частности, относятся: линейный полуволновой вибратор, металлическая пластина, металлические и диэлектрические уголковые отражатели.

Эффективная площадь рассеяния полуволнового вибратора зависит от длины падающей на него электромагнитной волны и угла q между нормалью к вибратору и направлением на локационную станцию

Sэ=0.86l2 cos4q .

Максимальная ЭПР полуволнового вибратора Sэм=0.86l2, что значительно превышает его геометрическую площадь.

Эффективная площадь рассеяния Sэ отражающего объема РЛС, заполненного полуволновыми вибраторами, может быть определена по формуле

Sэ = n Sэс, (2.2)

где n - число вибраторов в разрешающем объеме,

Sэс=0.17l2 - среднее значение ЭПР полуволнового вибратора при условии, что угол q изменяется равновероятно от 0 до p /2.

Диаграмма обратного рассеяния металлической пластины носит лепестковый характер. Ширина лепестков уменьшается с увеличением отношения длины ребра пластины к длине волны. ЭПР пластины прямо пропорциональна ее площади S и при нормальном падении электромагнитной волны на пластину равна

Эффективная площадь рассеяния шара зависит от отношения диаметра шара dш к длине волны. Для металлического шара

Sэ=690 dш6/l4 при dш << l ,

Sэ=p (dш/2)2 при dш >> l.

Для создания мощных отраженных сигналов широко применяются металлические уголковые отражатели, которые состоят из трех треугольных или трех квадратных пластин, соединенных под углом p/2. Достоинством уголковых отражателей является способность интенсивно отражать электромагнитные волны, поступающие с различных направлений. ЭПР уголкового отражателя с квадратными гранями

для отражателя с треугольными гранями

где l - длина ребра отражателя.

Эффективная площадь рассеяния удлиненного сфероида при его облучении вдоль продольной оси определяется по формуле

где a - большая полуось, b - малая полуось сфероида.

Наиболее распространенными поверхностно - распределенными объектами являются участки земной поверхности. Условия облучения РЛС земной поверхности показаны на рис. 2.3, а.

Рис. 2.3. К определению эффективной площади рассеяния объемных (а) и поверхностных (б) объектов

Эффективная площадь рассеяния таких объектов определяется площадью участка земной поверхности, отражения от отдельных элементов которой поступают в приемную антенну РЛС одновременно. Площадь элемента зависит от ширины главного максимума диаграммы направленности антенны в двух плоскостях - q и y , угла наклона j главного максимума, отсчитываемого от горизонтали, длительности зондирующего импульса, коэффициента рассеяния g . Такую отражающую площадку можно представить в виде прямоугольника, отстоящего от РЛС на расстоянии R

При условии, что ct /2cosj < y R / sinj, стороны прямоугольника равны RDq (Dq -ширина диаграммы направленности) и ct /2cosj , площадь отражающей площадки S = R(Dq) ct /2cosj . Соответствующая S перпендикулярная линии визирования площадка S0=S sinj .

Зная S0 и g , можно определить Sэ.

Sэ=(g R(Dq) c t) tgj /2. (2.3)

Как следует из формулы (2.3), ЭПР поверхностно - распределенных объектов, в отличие от ЭПР точечных объектов, зависит от дальности.

Эффективную площадь рассеяния Sэ можно выразить через высоту H РЛС над поверхностью

S э=g НDq сt /2 cos (j) .

Эффективную площадь рассеяния пространственно - распределенных объектов, состоящих из большого числа однородных отражателей, распределенных с равномерной плотностью n0 в пространстве и имеющих среднюю отражающую поверхность Sэс, можно определить, используя формулу (2.2).

S э=no S эс V ,

где V -отражающий объем,определяемый разрешающей способностью РЛС по дальности, угловым координатам и размерами пространства, заполненного отражателями. Формирование сигнала от облака отражателей показано на Рис.2.3, б.

В том случае, когда облако распределенных отражателей полностью перекрывает конический луч диаграммы направленности, и расстояние R до разрешающего объема много больше разрешения по дальности ct/2, отражающий объем представляет собой цилиндр с высотой сt /2 и основанием pR2(Dq)2/4, где Dq - ширина главного максимума диаграммы направленности по уровню 0.5. Для этих условий отражающий объем V=pR2(Dq)ct/8, а ЭПР пространственно - распределенного объекта определяется по формуле

S э=S эс n0 p R2(Dq) 2ct /8. (2.4).

При неполном заполнении луча диаметр отражающего объема равен поперечным линейным размерам L o объекта, и эффективная площадь рассеяния определяется по формуле

Sэ=Sэс n0p L0 2c /8 (2.5)

Как следует из формул (2.4) и (2.5), при объемно - распределенных объектах, полностью перекрывающих главный максимум диаграммы направленности антенны локационной станции, ЭПР прямо пропорциональна квадрату расстояния до отражающего объема. Если же объект не перекрывает главный луч диаграммы, ЭПР не зависит от расстояния между РЛС и отражающим объемом.

Для радиолокационных станций дальнего действия аэродинамические объекты являются точечными или сосредоточенными, ЭПР которых не зависит от дальности. Для систем ближней локации такие объекты являются линейно-протяженными, у которых площадь облучаемой поверхности линейно растет с увеличением дальности. Поэтому эффективная площадь рассеяния растет с увеличением расстояния R между РЛС и линейно протяженным объектом и с увеличением ширины диаграммы направленности антенны. В том случае, когда отражающие свойства объекта по его длине постоянны, Sэ растет прямо пропорционально R.

Статистические характеристики отраженных сигналов

Закон распределения амплитуд сигналов, отраженных от объекта

Большинство отраженных сигналов в системах представляют собой случайные процессы. Поэтому для оценки работы системы необходимо знание не только средних значений энергетических параметров сигнала, но и законов распределения амплитуд и мощностей, а также спектральных и корреляционных характеристик. Необходимые данные могут быть получены на основе экспериментальных и теоретических исследований.

Для систем ближней локации могут быть выбраны следующие статистические модели объектов:

1. совокупность большого числа отражающих элементов с одинаковыми отражающими свойствами с заданным суммарным средним значением отражающей поверхности S э;

2. совокупность элементов по первой модели и одного (доминирующего) элемента со стабильной эффективной отражающей поверхностью S0, превышающей отражающую поверхность одного элемента.

Законы распределения амплитуд, найденные для первой модели, являются частным случаем закона распределения для второй модели при S0 =0. Поэтому сначала рассматривается вторая модель.

Амплитуду сигнала, отражённого от объекта по модели 2, можно представить в виде

u cos(w0t-j)=u0 cos (w0t-j0)+ uS cos (w0t-jS) (2.6)

где uS cos (w0t-jS)=S ui cos(w0t-ji).

Процесс сложения колебаний можно проследить на рис.2.4, где в векторной форме показаны сигналы u , u0 и uS.

Отрезки x, x0 , а также у и y0 - проекции амплитуд сигналов u и u0 на взаимно перпендикулярные оси.

Рис. 2.4. Векторная диаграмма сигнала, отражённого от объекта

В соответствии с центральной предельной теоремой проекции x и y подчиняются нормальному закону распределения вероятностей, а их совместная двумерная плотность вероятностей равна произведению одномерных плотностей вероятностей,

где D = Dx = Dy - дисперсия ортогональных составляющих x и y.

Из двумерного закона w(x, y) нетрудно перейти к двумерному закону w(u,j). По правилам теории вероятностей двумерная плотность распределения амплитуд и фаз

Для определения закона распределения амплитуд отраженного сигнала w(u) необходимо двумерный закон распределения w(u,j) проинтегрировать по области всех возможных значений j.

где I0 (u,u0/2D)- функция Бесселя первого рода нулевого порядка,

Таким образом, получен закон распределения амплитуд отраженного сигнала, который носит название обобщенного закона распределения Релея. Если u0=0, что соответствует первой модели, закон распределения амплитуд переходит в закон распределения Релея,

Законы распределения нормированных по отношению к D1/2 амплитуд для двух моделей при различных значениях амплитуды стабильной составляющей u0 приводятся на рис. 2.5. С увеличением u0/D1/2 закон распределения амплитуд приближается к нормальному.

Закон распределения эффективной отражающей поверхности

Учитывая, что амплитуды сигналов u пропорциональны мощности, по полученным законам распределения амплитуд можно найти законы распределения мощности сигналов, отраженных от объектов. Средняя мощность результирующего сигнала, выделяемая на нагрузке 1 Ом,

где D=m1{xk2}=m1{yk2}=m1{uS2/2}=så2/2.

Эффективная отражающая поверхность объекта пропорциональна мощности сигнала, поэтому для определения закона распределения эффективной отражающей поверхности по найденному закону распределения амплитуд (2.7) можно воспользоваться следующей формулой

w(Sэ)=w(u)çdu/dSэç. (2.8)

В результате подстановки (2.7) в (2.8) закон распределения отражающей поверхности приводится к виду:

Рис.2.5 Плотность распределения амплитуды сигнала (а) (при uo/so=0 - кривая 1; uo/so=1 - кривая 2; uo/so=3 - кривая 3; uo/so=6 - кривая 4).

и эффективной отражающей поверхности (б) (при Sэ0 /Sэå= 0 - кривая 1; при Sэ0 /Sэå= 1 - кривая 2; при Sэ0 /Sэå=3 - кривая 3 и при Sэ0 /Sэå = 20 - кривая 4).

Изобретение относится к способам и технике измерений характеристик рассеяния радиолокационных целей, в частности к измерению эффективной площади рассеяния (ЭПР) наземных объектов авиационными радиолокационными станциями бокового обзора с синтезированной апертурой антенны (РСА). Техническим результатом изобретения является уменьшение погрешности измерения ЭПР наземных объектов. Способ измерения эффективной площади рассеяния наземных объектов РСА на основе абсолютной амплитудной калибровки тракта РСА включает использование системы внешней (наземной) калибровки (СВК) в виде наборов эталонных уголковых отражателей (УО), размещенных на однородном участке земной поверхности, аэросъемку с использованием РСА этого участка земной поверхности при заданных значениях высоты и курса полета носителя, получение радиолокационных изображений (РЛИ) участка земной поверхности с эталонными УО, измерение на полученном РЛИ параметров изображения каждого эталонного отражателя, обработку результатов измерений и оценку параметров калибровки сквозного тракта РСА и ЭПР наземных объектов. 6 ил.

Рисунки к патенту РФ 2308050

Область техники

Изобретение относится к способам и технике измерений характеристик рассеяния радиолокационных целей, в частности к измерению эффективной площади рассеяния (ЭПР) наземных объектов авиационными радиолокационными станциями бокового обзора с синтезированной апертурой антенны (РСА), и может быть использовано для повышения эффективности мониторинга земной поверхности на основе решения задачи абсолютной калибровки тракта РСА и формируемых ими радиолокационных изображений (РЛИ) с использованием эталонных наземных пассивных отражателей.

Уровень техники.

В настоящее время в мире создано большое количество комплексов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), в состав которых входят РСА. Тематическая обработка результатов зондирования, полученных с помощью РСА, является эффективной только при условии получения ими данных об абсолютной величине удельной эффективной поверхности рассеяния (УЭПР) 0 исследуемых объектов. Получение указанных данных с использованием авиационных и космических РСА возможно только при проведении абсолютной калибровки сквозного тракта РСА и получаемых ими РЛИ.

Под калибровкой РСА понимают решение задачи адекватного описания математической модели (ММ) передаточной функции (ПФ) сквозного тракта РСА на основе применения для оценки параметров ММ наземных эталонных средств (искусственных активных ретрансляторов, пассивных отражателей или поверхностно-распределенных объектов естественного происхождения) и учета результатов оценки ММ ПФ при формировании РЛИ.

В ММ ПФ сквозного тракта при калибровке РСА включают: трассу распространения сигнала, антенную систему, приемно-передающий канал, систему регистрации данных, процессор восстановления РЛИ из радиоголограммы (синтезирования), а также методику измерения параметров наземных эталонных средств и объектов наблюдения на РЛИ в интересах оценки их ЭПР.

Известные подходы к решению задачи измерения ЭПР наземных объектов с применением калиброванных РСА (см. Д.М.Бычков, А.С.Гавриленко, Е.М.Ганапольский, и др. "Комбинированная калибровка радиолокаторов бокового обзора с реальной и синтезированной апертурой". Успехи современной радиоэлектроники, 2005, №6; Белокуров А.А., Глыбовский С.И. "Методы и средства калибровки радиолокационных систем дистанционного наблюдения земной поверхности". Зарубежная радиоэлектроника, 1990, №2) показывают, что проблема абсолютной калибровки авиационных и космических РСА решена не полнотстью, а применяемые для ее решения способы, эталонные инструментальные средства и алгоритмы оценки имеют ряд недостатков, которые ограничивают достижимые значения погрешности калибровки и оценки ЭПР объектов.

Один из недостатков этих подходов заключается в неполном учете особенности формирования РЛИ в РСА. При выполнении процедуры калибровки в указанных работах используют уравнение связи между мощностью сигнала на входе приемника РСА, отраженного от исследуемого объекта, и его ЭПР () в виде

где Р пр - мощность сигнала на входе приемника РСА;

Р изл - средняя мощность излучаемого сигнала;

G() - диаграмма направленности физической антенны РСА по мощности в вертикальной плоскости с шириной диаграммы по углу места 0 ;

Длина волны излучаемого РСА сигнала;

R н - наклонная дальность до исследуемого объекта;

К ппо - коэффициент передачи тракта приема, преобразования и обработки РСА;

Эффективная площадь рассеяния исследуемого объекта.

Уравнение справедливо для РЛС кругового (секторного) обзора, в которых время облучения объекта практически не зависит от дальности до объекта (определяется отношением ширины диаграммы направленности антенны по азимуту к угловой скорости сканирования антенны). Калибровка сквозного тракта РСА на основе этого уравнения приводит к неполному учету зависимости ее ПФ от наклонной дальности R н до калибруемого (оцениваемого) объекта и дополнительным погрешностям в оценках ЭПР измеряемых объектов.

В радиолокаторах бокового обзора (включая РСА) время облучения объекта увеличивается пропорционально наклонной дальности до него , при этом передаточная функция тракта приема, преобразования и обработки РСА (см. Г.С.Кондратенков, В.А.Потехин, А.П.Реутов, Ю.А.Феоктистов "Радиолокационные станции бокового обзора". Советское радио, 1985 г.) и уравнение связи между мощностью сигнала на входе приемника РСА и ЭПР объекта преобразуется к виду

0 - ширина диаграммы направленности физической антенны РСА по азимуту,

П - скорость полета носителя РСА.

В этом уравнении мощность сигнала на входе приемника РСА обратно пропорциональна не четвертой, а третьей степени наклонной дальности до объекта.

При использовании для калибровки РСА пассивных отражателей, в указанных работах, не учитывают в явном виде зависимость индикатрис их отражения от углов визирования по азимуту и углу места, полагая значение const в диапазонах рабочих углов калибровки. Экспериментальные измерения индикатрис отражения большой группы уголковых отражателей с трехгранными и квадратными гранями (см. Сазонов Н.И. и др. "Система наземной калибровки РСА", ЛИИ им. М.М.Громова, Руководство по эксплуатации, 2005), изготовленными по единой технологии, показал, что их индикатрисы отражения имеют значительный (до 1,5...2 дБ) разброс от образца к образцу в диапазоне рабочих углов ±15° от максимума. Для уменьшения влияния указанного разброса значений ЭПР пассивных эталонных отражателей на погрешность калибровки РСА в методологии калибровки необходимо учитывать фактические зависимости их индикатрис отражения от углов визирования = ( , ) в каждом сеансе калибровки. При этом главные сечения индикатрис отражения УО должны измеряться в стендовых условиях (желательно в безэховых камерах) с погрешностью не более 0,5...1,0 дБ.

Важно отметить, что ЭПР пассивного отражателя, установленного на местности, может существенно отличаться от значения, измеренного на стенде в безэховой камере, из-за влияния интерференционного множителя, обусловленного влиянием отражений от земной поверхности в диапазоне рабочих углов визирования РСА по углу места. Предлагаемые в указанных выше работах способы минимизации этих отражений на основе покрытия радиопоглощающим материалом соответствующих участков земной поверхности в окрестности отражателей являются дорогостоящими и трудоемкими.

Известно, что выходной сигнал РСА существенно зависит от траекторных нестабильностей полета носителя, а применяемые в современных РСА методы обработки сигналов не обеспечивают полной компенсации их влияния. Современные способы калибровки РСА не предусматривают учета изменений амплитуды огибающей РЛИ эталонных отражателей из-за неполной компенсации влияния указанных нестабильностей, что приводит к дополнительным погрешностям в оценках амплитуды РЛИ эталонных отражателей и соответствующей составляющей погрешности калибровки.

При решении задачи калибровки цифровых РСА в оценке амплитуды огибающей РЛИ отражателя, которая используется в качестве эталонного параметра в процедуре амплитудной калибровки тракта РСА, не учитывается дискретная структура РЛИ, что приводит к неучтенной погрешности калибровки до 1.5 дБ.

Наиболее близким к предлагаемому способу измерения эффективной площади рассеяния наземных объектов радиолокатором с синтезированной апертурой антенны является техническое решение, описанное в статье Белокурова А.А., Глыбовского С.И. "Методы и средства калибровки радиолокационных систем дистанционного наблюдения земной поверхности". Зарубежная радиоэлектроника, 1990, №2, которое принимается в качестве прототипа.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в уменьшении погрешности измерения ЭПР наземных объектов РСА на основе абсолютной калибровки сквозного тракта РСА при использовании в качестве системы абсолютной калибровки набора пассивных уголковых отражателей (УО), размещенных специальным образом на земной поверхности за счет уточнения ММ ПФ сквозного тракта РСА, а также процедур идентификации параметров ММ и системы калибровки.

Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения эффективной площади рассеяния наземных объектов радиолокатором с синтезированной апертурой (РСА) на основе абсолютной амплитудной калибровки тракта РСА, включающем использование системы внешней (наземной) калибровки (СВК) в виде наборов эталонных УО, размещенных на однородном участке земной поверхности, аэросъемку с использованием РСА этого участка земной поверхности при заданных значениях высоты и курса полета носителя, получение РЛИ участка земной поверхности с эталонными УО, измерение на полученном РЛИ параметров изображения каждого эталонного отражателя, обработку результатов измерений и оценку параметров калибровки сквозного тракта РСА и ЭПР наземных объектов, в качестве набора эталонных отражателей используют две линейки пассивных трехгранных УО, при этом первую линейку с одинаковыми расчетными значениями ЭПР отражателей размещают с равномерным шагом по наклонной дальности (поперек направления полета носителя) в пределах полосы обзора РСА, а вторую, с различными расчетными значениями ЭПР, размещают по линии, проходящей через средний УО первой линейки ортогонально к ней (по азимуту).

Фактические значения ЭПР каждого эталонного УО, входящего в СВК, определяют путем предварительного измерения в безэховой камере главных сечений индикатрис отражения УО по азимуту ind (и , аппроксимации измеренных значений ортогональными полиномами и степень n которых выбирают из условия реализации погрешности аппроксимации не более 0.5 дБ и расчета эталонных значений ЭПР каждого i-го отражателя в каждом сеансе калибровки в соответствии с формулой

Максимальные значения амплитуд отражателей на РЛИ определяют по максимальным амплитудам огибающих изображений УО, восстановленных путем двумерной интерполяции квадратных наборов цифровых отсчетов (пикселей) в окрестности каждого отражателя размером n х ×n у с использованием алгоритма интерполяции на основе двумерного преобразования Фурье, модифицированного с целью уменьшения погрешности интерполяции. Для этого измеряют максимальную амплитуду интерполированной огибающей РЛИ А i max , затем для уменьшения влияния рассогласований в системе обработки приводят измеренную амплитуду A i max к ее значению в тестовых условиях с учетом свойства (постоянства объема) функции неопределенности сигнала РСА. согласно выражению

а площади ее сечения при наличии S i и отсутствии рассогласований S o определяют на уровне 0.5A i max по значениям произведения ширины огибающих в двух ортогональных сечениях (по линии фактического пути - X и ортогональном ему - Y).

Для минимизации влияния интерференционного множителя земли калибровочный коэффициент K kal сквозного тракта РСА определяют как среднее значение оценок калибровочных коэффициентов К kal (i), рассчитанных для всех калибровочных УО в линейке по дальности

при этом оценки калибровочных коэффициентов K kal (i) для каждого УО определяют отношением амплитуд интерполированных огибающих i-го УО к соответствующим эталонным значениям их ЭПР iind ( , ), с нормировкой этих отношений к значению усиления физической антенны РСА G( i - A) и значению наклонной дальности согласно уравнению

Значения ЭПР точечных объектов на произвольном (калибровочном и измерительном) РЛИ определяют по уравнению

К kal - калибровочный коэффициент сквозного тракта РСА;

G( izm - A) - относительный коэффициент усиления антенны РСА при угле визирования УО в вертикальной плоскости izm и угле установки антенны РСА по углу места A ;

Значения ЭПР пространственно-распределенных объектов на произвольном (калибровочном и измерительном) РЛИ определяют по уравнению

где - среднее значение амплитуды пикселя измерительного РЛИ, измеренное по полю квадратного фрагмента размером n ф ×n ф пикселей, выбранного в пределах однородного участка текстуры пространственно-распределенного объекта,

Izm и R izmn - значения угла визирования и наклонной дальности, соответствующие центру квадратного фрагмента пространственно-распределенного объекта;

S 0 - площадь элемента разрешения измерительного РЛИ (принимается равной ее значению, полученному при проведении процедуры калибровки).

Предложенный способ обеспечивает уменьшение погрешности измерения ЭПР наземных объектов за счет абсолютной калибровки сквозного тракта РСА на основе применения набора пассивных уголковых отражателей (УО), размещенных специальным образом на земной поверхности, уточнения ММ ПФ РСА и может быть использован для существенного повышения эффективности использования РСА в авиационных системах мониторинга земной поверхности.

Изобретение поясняется чертежами, на которых:

На фиг.1 показана схема установки на земной поверхности СВК из двух линейных наборов эталонных пассивных УО, размещенных ортогонально на однородном участке поперек и вдоль направления полета носителя в пределах полосы обзора РСА (1 - линейка УО по дальности, 2 - линейка УО по линии пути; 3 - самолет-носитель; 4 - полоса обзора РСА).

На фиг.2 показаны геометрические соотношения, иллюстрирующие процедуру калибровки РСА в режиме бокового обзора при съемке набора эталонных пассивных УО в горизонтальной плоскости (1 - линейка УО по дальности, 2 - линейка УО по линии пути; 3 - самолет-носитель; 4 - полоса обзора РСА; ЛЗП - линия заданного пути; ЛФП - линия фактического пути; Снос - угол сноса самолета - носителя).

На фиг.3 показаны геометрические соотношения, иллюстрирующие процедуру калибровки РСА в режиме бокового обзора при съемке набора эталонных пассивных УО в вертикальной плоскости (1 - линейка УО по дальности, 3 - самолет-носитель; 4 - полоса обзора РСА; 5 - измеряемый УО).

На фиг.4 иллюстрируются характерный вид индикатрис отражения УО в горизонтальной и вертикальной плоскостях и результаты аппроксимации полиномами 9-й степени (9, 11 - графики измерения и аппроксимации главного сечения индикатрисы отражения УО по азимуту; 10, 12 - графики измерения и аппроксимации главного сечения индикатрисы отражения УО по углу места).

На фиг.5 представлен экспериментальный фрагмент исходного РЛИ с эталонными УО (5 - выделенный прямоугольный фрагмент исходного РЛИ измеряемого УО размером n×n пикселей; 6 - номера 1-го столбца и 1-й строки выделенного прямоугольного фрагмента в системе координат измерительного РЛИ; 13, 14 - огибающие главных сечений исходного РЛИ отражателя по дальности и азимуту соответственно).

На фиг.6 представлен фрагмент исходного РЛИ с эталонными УО после интерполяционного восстановления огибающей с использованием модифицированной процедуры двумерного БПФ (5 - выделенный прямоугольный фрагмент исходного РЛИ измеряемого УО размером n×n пикселей, 6 - номера 1-го столбца и 1-й строки выделенного прямоугольного фрагмента в системе коордного РЛИ; интерполированного РЛИ измеряемого УО размером n×n пикселей; 7 - интерполированный фрагмент 5 РЛИ измеряемого УО размером n×n пикселей; 15, 16 - огибающие главных сечений РЛИ отражателя по дальности и азимуту).

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

В способе измерения ЭПР объектов, включающем (фиг.1, 2) использование СВК из двух линейных наборов пассивных УО, размещенных ортогонально на однородном участке земной поверхности вдоль 1 и поперек 2 направления полета носителя РСА 3, аэросъемку участка земной поверхности с УО в полосе обзора 4 калибруемого РСА при заданных значениях дальности, высоты и курса полета носителя, получение РЛИ этого участка земной поверхности, а также систему цифровой автоматизированной обработки, в которой оценку параметров РЛИ каждого УО системы внешней калибровки и идентификацию параметров ММ ПФ калибруемого РСА выполняют в соответствии со следующими процедурами.

1. Процедура калибровки:

Все рассмотренные ниже процедуры калибровки используют зависимость амплитуды А max выходного сигнала РСА (амплитуда РЛИ) от корня квадратного из ЭПР измеряемых объектов вида

где K kal - коэффициент передачи калибруемой РСА;

G() - нормированная диаграмма направленности физической антенны РСА по мощности в вертикальной плоскости;

R н - наклонная дальность до исследуемого объекта, которая для измерительных цифровых РСА является линейной в широком динамическом диапазоне изменения ЭПР;

На полученном для калибровки РЛИ последовательно выделяют (фиг.5) прямоугольные фрагменты 6 размером n x ×n y пикселей с изображением УО в центре фрагмента 5 и оценивают координаты выделенного фрагмента Y ф, Х ф в системе координат РЛИ ("наклонная дальность (Y 0) - линия фактического пути (Х 0) носителя РСА");

Выполняют (фиг.6) процедуру двумерной интерполяции в К раз (К=2 n , n=1, 2, ...) для каждого выделенного фрагмента 6 изображения УО с использованием алгоритма интерполяции на основе двумерного преобразования Фурье, модифицированного с целью уменьшения погрешности двумерной интерполяции, и получают интерполированное изображение 7 фрагмента 6;

Измеряют (фиг.6) параметры главных сечений огибающей 15, 16 интерполированного РЛИ 7 каждого УО, прямоугольные координаты УО в системе координат выделенного фрагмента (dX, dY), максимальную амплитуду A imax огибающей, а также значения ее ширины в двух ортогональных сечениях (в направлении, совпадающем с линией фактического пути - Х i и ортогональном ему - Y i) на уровне 0.5, которые определяют площадь S i = Х i · Y i , основания параллелепипеда, объем которого равен объему функции неопределенности сигнала РСА соответствующего УО;

Корректируют искажения максимальной амплитуды огибающей A imax из-за влияния рассогласований в системе обработки согласно выражению

где S i = X i · Y i площадь элемента разрешения РСА, равная площади основания параллелепипеда, объем которого равен объему функции неопределенности сигнала РСА i-го УО (S 0 - при отсутствии рассогласований);

Оценивают фактические угловые параметры визирования каждого УО по азимуту и углу места по значениям координат УО на РЛИ и высоты полета носителя РСА с использованием алгоритма, учитывающего специальную геометрию размещения эталонных отражателей СВК на местности;

Эталонные значения ЭПР каждого УО, входящего в СВК, определяют путем предварительного измерения в безэховой камере главных сечений индикатрис отражения УО по азимуту 9 ind () и углу места 10 ind () в диапазонах рабочих углов визирования объектов и (±25° относительно максимума), аппроксимации измеренных значений ортогональными полиномами 11 и 12 , степень n которых выбирают из условия реализации погрешности аппроксимации не более 0.5 дБ (фиг.4) и расчета эталонных значений ЭПР каждого i-го отражателя в каждом сеансе калибровки в соответствии с формулой

Значения и определяют по разностям углов визирования виз, виз при съемке калибруемым РСА ортогональных линейных наборов эталонных УО и углов их ориентации на местности уо, уо в системе координат формируемого РЛИ (фиг.3);

Калибровочный коэффициент сквозного тракта РСА для исключения (минимизации) влияния интерференционного множителя земли определяют как среднее значение оценок калибровочных коэффициентов для всех УО в линейке по дальности калибровочного РЛИ

при этом оценки калибровочных коэффициентов K kal (i) для каждого УО определяют отношением амплитуд интерполированных огибающих i-го УО к соответствующим эталонным значениям их ЭПР iind ( , ), с приведением этих отношений к максимальному значению усиления физической антенны РСА G( i - A) и значению наклонной дальности согласно уравнению

A - угол установки антенны РСА по углу места.

2. Процедура оценки ЭПР точечных объектов:

Эффективную площадь рассеяния точечных наземных объектов на произвольном (калибровочном и измерительном) РЛИ определяют по уравнению

где - амплитуда интерполированной огибающей i-го УО в измерительном РЛИ;

R izmn - наклонная дальность до точечного объекта на измерительном РЛИ;

G( izm - А) - относительный коэффициент усиления антенны РСА при угле визирования УО в вертикальной плоскости izm и угле установки антенны РСА по углу места A ;

отношение коэффициентов усиления сквозного тракта РСА по амплитуде в режимах измерений и калибровки

3. Процедура оценки ЭПР пространственно-распределенных объектов:

Эффективную площадь рассеяния пространственно-распределенных наземных объектов на произвольном (калибровочном и измерительном) РЛИ определяют по уравнению

где - среднее значение амплитуды пикселя РЛИ, измеренное по полю квадратного фрагмента размером n ф ×n ф пикселей, выбранного в пределах однородного участка текстуры пространственно-распределенного объекта,

K kal - коэффициент передачи (калибровки) РСА;

Izm и R izmn - значения угла визирования и наклонной дальности, соответствующие центру фрагмента,

S izm - площадь элемента разрешения измерительного РЛИ (принимается равной ее оценке при проведении процедуры калибровки).

Пример применения предложенного способа

Предлагаемый способ измерения эффективной площади рассеяния наземных объектов РСА апробирован в ФГУП "ЛИИ им. М.М.Громова" при выполнении научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы (НИОКР) по разработке и созданию "Авиационного комплекса (АК) для экологического мониторинга и исследования природных ресурсов Земли".

При проведении НИР были реализованы основные методические процедуры, обеспечивающие получение результата калибровки и измерений с погрешностью, соответствующей потенциальным возможностям предлагаемого способа.

В процессе экспериментов были получены РЛИ системы наземной калибровки РСА в сантиметровом диапазоне. Результаты измерений и обработки представлены в таблице 1.

Для определения положения жестко закрепленной на фюзеляже самолета физической антенны РСА по углу места в экспериментах проводились синхронные измерения угловых положений антенны и самолета.

В экспериментах использовалась НСК, включающая линейку, по дальности составленную из 9 УО с расчетными значениями ЭПР 3000 м 2 , установленных с равномерным шагом 500 м, и 4 УО, установленных ортогонально отражателям линейки на однородной подстилающей поверхности типа "луг-летом".

Для всех УО системы калибровки в безэховой камере были измерены главные сечения их индикатрис отражения на рабочей длине волны передатчика РСА.

Для проверки работоспособности и точности предлагаемого способа измерения ЭПР были выбраны три фрагмента РЛИ, включающих изображения УО системы калибровки.

Для всех отобранных РЛИ была выполнена процедура калибровки путем обработки изображений эталонных УО в соответствии с описанными ранее процедурами.

Затем по каждому из отобранных РЛИ была выполнена процедура измерений ЭПР эталонных УО для всех трех РЛИ.

Результаты, представленные в таблице 1, показывают, что процедура измерения коэффициента калибровки по любому из трех фрагментов дает устойчивые значения оценок, максимальная разница которых не превысила 5%.

При измерении ЭПР эталонных УО на фрагментах РЛИ с использованием результатов калибровки текущего фрагмента среднее значение погрешности измерений не превышает 10%.

Оценки, полученные при использовании для калибровки тракта РСА любого из этих фрагментов и измерении ЭПР УО на двух других (измерительных) фрагментах РЛИ, показали, что средние значения погрешностей оценок ЭПР на измерительных РЛИ также не превысили 10%.

Таким образом, полученные экспериментальные данные подтвердили высокую эффективность предложенного способа оценки ЭПР наземных объектов на основе решения задачи абсолютной калибровки тракта РСА и формируемых ими РЛИ с использованием наземных эталонных УО пассивного типа при существенном уменьшении погрешности оценок ЭПР по сравнению с известными способами.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ измерения эффективной площади рассеяния наземных объектов радиолокатором с синтезированной апертурой (РСА) на основе абсолютной амплитудной калибровки тракта РСА, включающий систему внешней калибровки (СВК) в виде наборов эталонных уголковых отражателей (УО), размещенных на однородном участке земной поверхности, аэросъемку с использованием РСА этого участка земной поверхности при заданных значениях высоты и курса полета носителя, получение радиолокационного изображения (РЛИ) участка земной поверхности с эталонными УО, измерение на полученном РЛИ параметров изображения каждого эталонного отражателя, обработку результатов измерений и оценку параметров калибровки сквозного тракта РСА и ЭПР наземных объектов, отличающийся тем, что в качестве набора эталонных отражателей используют две линейки пассивных трехгранных УО, при этом, первую линейку с одинаковыми расчетными значениями ЭПР отражателей размещают с равномерным шагом по наклонной дальности (поперек направления полета носителя) в пределах полосы обзора РСА, а вторую по линии, проходящей через средний УО первой линейки ортогонально к ней (по азимуту), фактические значения ЭПР каждого эталонного УО определяют путем предварительного измерения в безэховой камере главных сечений индикатрис отражения по азимуту ind (и ), степень в которых выбирают из условия реализации погрешности аппроксимации не более 0,5 дб и расчета эталонных значений ЭПР каждого i-го отражателя в каждом сеансе калибровки в соответствии с формулой

максимальные значения амплитуд отражателей на РЛИ определяют по максимальным амплитудам огибающих исходных изображений УО, восстановленных путем двумерной интерполяции квадратных наборов цифровых отсчетов (пикселей) в окрестности каждого отражателя размером n x ×n y с использованием алгоритма интерполяции на основе двумерного преобразования Фурье, модифицированного с целью уменьшения погрешности интерполяции, затем для уменьшения влияния рассогласований системы обработки РСА измеренную амплитуду интерполированной огибающей РЛИ A i max приводят к ее значению в тестовых условиях с учетом свойства (постоянства объема) функции неопределенности сигнала РСА согласно выражению

в котором параметры S i и S o определяют по значениям произведения ширины главных сечений двумерной огибающей РЛИ отражателя на уровне 0,5 А imax (по линии фактического пути - X и ортогональном ему - Y) в реальных и тестовых условиях, калибровочный коэффициент K kal сквозного тракта РСА определяют как среднее значение оценок калибровочных коэффициентов K kal (i), рассчитанных для всех N калибровочных УО в линейке по дальности

,

A - угол установки антенны РСА по углу места,

значения ЭПР точечных объектов на произвольном (калибровочном и измерительном) РЛИ определяют по уравнению

где - амплитуда интерполированной огибающей i-го УО в измерительном РЛИ;

K kal - калибровочный коэффициент сквозного тракта РСА;

R izmn - наклонная дальность до точечного объекта на измерительном РЛИ;

Отношение коэффициентов усиления сквозного тракта РСА по амплитуде в режимах измерений и калибровки, izmn - значения угла визирования и наклонной дальности, соответствующие центру квадратного фрагмента пространственно-распределенного объекта;

S 0 - площадь элемента разрешения измерительного РЛИ (принимают равной ее значению, полученному при проведении калибровки).

Простейшими считают объекты, ЭПР которых может быть достаточно просто вычислена аналитически. К ним относятся плоский лист, цилиндр, шар, уголковый и биконический отражатели, полуволновый вибратор, участок диффузно-рассеивающей поверхности, а также некоторые групповые и распределенные цели. Определение ЭПР таких объектов может представлять самостоятельный интерес, а также быть необходимо для вычисления ЭПР объектов сложной конфигурации, которые могут быть представлены совокупностью простейших объектов.

Для нахождения ЭПР участка S хорошо проводящей выпуклой поверхности (рис. 8.2) воспользуемся формулой (8.4), в которой отношение можно получить суммированием элементарных полей, создаваемых в месте расположения РЛС отраженными сигналами от элементов поверхности . Если расстояние от антенны РЛС до рассматриваемого элемента равно D и облучение происходит под углом к нормали с напряженностью поля то напряженность поля , в месте расположения РЛС

где - расстояние от РЛС до ближайшей точки поверхности. Тогда

поскольку .

Подставив значение в формулу (8.4), найдем выражение для ЭПР поверхности:

Воспользуемся полученным выражением для вычисления эффективной площади рассеяния некоторых простейших объектов.

ЭПР плоской хорошо проводящей пластины. Если металлический лист, размеры которого а и b много больше , но много меньше D, расположен перпендикулярно направлению облучения (рис. 8.3), то выражение (8.6) принимает вид

поскольку и вследствие малости размеров листа по сравнению с дальностью D и его расположению перпендикулярно направлению прихода радиоволн.

Таким образом, при нормальном облучении идеально проводящий лист зеркально отражает всю падающую энергию в направлении РЛС, что и обеспечивает большую ЭПР по сравнению с площадью листа. При см лист площадью имеет при облучении по нормали , что в несколько раз превышает ЭПР большого самолета.

Однако даже при небольшом отклонении направления облучения от нормали ЭПР плоского листа резко падает. Предположим, что направление облучения отклонено от нормали в горизонтальной плоскости на угол . Рассматривая лист как плоскую синфазную антенну с диаграммой направленности, описываемой функцией выражение для ЭПР можно записать в виде

Зависимость ЭПР от угла облучения называют диаграммой рассеяния цели.

Плоский лист имеет диаграмму рассеяния, описываемую функцией вида .

При больших отношениях размера листа к длине волны (в рассмотренном случае ) диаграмма рассеяния будет очень острой, т. е. при увеличении а значение ЭПР листа резко меняется в соответствии с функцией , снижаясь в некоторых направлениях до нуля.

Для ряда применений желательно сохранение большого значения ЭПР в широком диапазоне изменения углов облучения. Это необходимо, например, при использовании отражателей в качестве пассивных радиомаяков. Таким свойством обладает уголковый отражатель.

ЭПР уголкового отражателя. Уголковый отражатель состоит из трех взаимно перпендикулярных металлических листов, он обладает свойством отражения радиоволн в сторону облучающей РЛС, что объясняется трехкратным отражением от стенок отражателя (рис. 8.4), которое испытывает волна, если направление облучения находится вблизи оси симметрии (в пределах телесного угла ) уголкового отражателя. Из рис. 8.4 можно видеть, что трехкратное отражение происходит, если падающий луч проходит в пределах шестиугольника, вписанного во внешний контур отражателя. Следовательно, ЭПР уголкового отражателя примерно равна ЭПР плоского листа в виде такого шестиугольника, облучаемого по нормали. Подставив выражение для площади шестиугольника в (8.7), получим формулу для расчета ЭПР уголкового отражателя:

(8.9)

При и см ЭПР уголкового отражателя . Таким образом, ЭПР уголкового отражателя несколько меньше ЭПР плоской пластины с размерами . Однако уголковый отражатель сохраняет большое значение ЭПР в достаточно широком секторе, тогда как ЭПР пластины резко уменьшается при незначительных отклонениях направления облучения от нормали. Необходимо подчеркнуть, что достижение теоретического значения возможно лишь при высокой точности его изготовления, особенно при работе на волнах короче 3 см. Для расширения действующего сектора применяют уголковые отражатели, состоящие из четырех уголков.

В качестве пассивных радиолокационных маяков на море используют также биконические отражатели (рис. 8.5), составленные из двух одинаковых металлических конусов.

Рис. 8.4 Рис. 8.5

Если угол между образующими конусов равен , то луч после двукратного отражения от поверхности конусов направляется в сторону PЛC, что и обеспечивает большое значение ЭПР. Достоинством биконического отражателя является равномерная диаграмма рассеяния в плоскости, перпендикулярной его оси.

ЭПР шара. Для определения ЭПР большого (по сравнению с ) шара с идеально проводящей гладкой поверхностью можно воспользоваться формулой (8.6). Однако в данном случае в этом нет необходимости, поскольку такой шар соответствует требованиям к гипотетической цели, площадь поперечного сечения которой и является ее ЭПР. Таким образом, ЭПР шара, имеющего и гладкую идеально проводящую поверхность, равна его площади поперечного сечения независимо от длины волны и направления облучения:

Благодаря этому свойству большой шар с хорошо проводящей поверхностью применяют в качестве эталона при экспериментальном измерении ЭПР реальных объектов путем сравнения интенсивности отраженных сигналов.

При уменьшении отношения радиуса шара к длине волны до значений у функции (рис. 8.6) появляется ряд резонансных максимумов и минимумов, т. е. шар начинает вести себя как вибратор. При диаметре шара, близком к , ЭПР шара в четыре раза превышает площадь его поперечного сечения. Для малого шара с ЭПР определяется дифракционной формулой Рэлея и характеризуется сильной зависимостью от длины волны облучающих радиоволн.

Этот случай имеет место, например, при отражении радиоволн от капелек дождя и тумана.

С учетом значения диэлектрической проницаемости воды () ЭПР дождевых капель

где - диаметр капель.

где S=ab; x = . (7.8)

Зависимость ЭПР от угла облучения называют диаграммой рассеяния цели. Плоский лист имеет диаграмму рассеяния, описываемую функцией вида (sinx/x)2.

При больших отношениях размера листа к длине волны диаграмма рассеяния будет очень острой, т. е. при увеличении α значение ЭПР листа резко меняется в соответствии с функцией σц, снижаясь в некоторых направлениях до нуля.

Для ряда применений желательно сохранение большого значения ЭПР в широком диапазоне изменения углов облучения. Это необходимо, например, при использовании отражателей в качестве пассивных радиомаяков. Таким свойством обладает уголковый отражатель.

ЭПР уголкового отражателя . Уголковый отражатель состоит из трех взаимно перпендикулярных металлических листов, он обладает свойством отражения радиоволн в сторону облучающей РЛС, что объясняется трехкратным отражением от стенок отражателя, которое испытывает волна, если направление облучения находится вблизи оси симметрии (в пределах телесного угла 45°) уголкового отражателя. Формула для расчета ЭПР уголкового отражателя:

При а=1 м и λи =10см ЭПР уголкового отражателя σуо = 419 м2. Таким образом, ЭПР уголкового отражателя несколько меньше ЭПР плоской пластины с размерами a = b=l м. Однако уголковый отражатель сохраняет большое значение ЭПР в достаточно широком секторе, тогда как ЭПР пластины резко уменьшается при незначительных отклонениях направления облучения от нормали.

В качестве пассивных радиолокационных маяков на море используют также биконические отражатели, составленные из двух одинаковых металлических конусов. Если угол между образующими конусов равен 90°, то луч после двукратного отражения от поверхности конусов направляется в сторону РЛС, что и обеспечивает большое значение ЭПР. Достоинством биконического отражателя является равномерная диаграмма рассеяния в плоскости, перпендикулярной его оси.

ЭПР шара . Для определения ЭПР большого (радиуса по сравнению с λи) шара с идеально проводящей гладкой поверхностью можно воспользоваться формулой (5.3). σш =4π rш2 (7.10)

Таким образом, ЭПР шара равна его площади поперечного сечения независимо от длины волны и направления облучения:

Благодаря этому свойству большой шар с хорошо проводящей поверхностью применяют в качестве эталона при экспериментальном измерении ЭПР реальных объектов путем сравнения интенсивности отраженных сигналов. При уменьшении отношения радиуса шара к длине волны до значений rш /λи ≤2 у функции σш/π rш2 появляется ряд резонансных максимумов и минимумов, т. е. шар начинает вести себя как вибратор. При диаметре шара, близком к λи/2, ЭПР шара в четыре раза превышает площадь его поперечного сечения. Для малого шара rш ≤λи /(2π) ЭПР определяется дифракционной формулой Рэлея

σш =4,4 104 rш6 / λи4 (7.11)

и характеризуется сильной зависимостью от длины волны облучающих радиоволн. Этот случай имеет место, например, при отражении радиоволн от капелек дождя и тумана. С учетом значения диэлектрической проницаемости воды (ε = 80) ЭПР дождевых капель σк =306 dк6 / λи4 где dк - диаметр капель.

7.3. Эффективная площадь рассеяния объектов

Часто на практике необходимо определить результирующий отраженный сигнал, создаваемый несколькими объектами или множеством элементарных отражателей, распределенных на поверхности или в объеме, облучаемыми зондирующими сигналами РЛС. Так, на экране индикатора самолетной РЛС обзора земной поверхности изображение создается при модуляции луча ЭЛТ по яркости сигналами, отраженными от соответствующих участков поверхности Земли или разрешаемого объема, участвующего в формировании результирующего сигнала на входе приемника. Для импульсной РЛС с длительностью зондирующего импульса τи, шириной ДНА в горизонтальной и в вертикальной плоскости на расстоянии D>> τи c/2 разрешаемый объем V0 будет равен объему цилиндра с высотой h= τи c/2 и площадью основания s=πab V0 =h s.

Если в единице объема пространства содержится n1 случайным образом расположенных отражателей с одинаковой ЭПР, равной σЦ, то среднее статистическое значение ЭПР всех отражателей в разрешаемом объеме σцо = σЦ n V0. (7.12)

В случае дождя σц есть ЭПР дождевой капли умноженное на число вибраторов в единице объема n1 и связано с интенсивностью дождя I (мм/ч). Для упрощения расчетов можно воспользоваться удельной ЭПР на единицу объема σцо = σЦ n1 (м-1), которую можно рассчитать по формулам

σо =6 10-14 I1.6 λи-4 (для дождя); (7.13)

σо =6 10-13 I2 λи-4 (для снега). (7.14)

При расчете отраженных сигналов от облака дипольных отражателей (металлизированных лент) также применяют удельную ЭПР, которая при произвольной ориентации в пространстве диполей длиной λи/2

σvо =0,11 λи2 n1. /м2 /. (7.15)

Случайные флуктуации ЭПР целей, вызванные изменениями взаимного положения РЛС и цели, а в случае групповых и распределенных целей - и изменениями взаимного положения элементарных отражателей, приводят к флуктуации отраженных сигналов. Достаточно полно статистические свойства сигналов и ЭПР целей могут быть описаны ПВ и спектром (функцией корреляции) флуктуации.

Известно, что ЭПР множества элементарных отражателей описывается экспоненциальным законом распределения. Спектральные характеристики сигналов, отраженных сложными и распределенными объектами, состоящими из многих отражателей, определяются относительной скоростью цели и РЛС, взаимным перемещением элементарных отражателей и изменением состава отражателей (их числа и ЭПР) при сканировании (перемещении) ДНА. В случае сложных целей (корабль, самолет и др.) результирующий отраженный сигнал формируется путем суммирования отражений от отдельных участков поверхности (в основном «блестящих» точек), которые можно считать элементарными отражателями. При большой относительной скорости перемещения РЛС и цели ширину спектра отраженного сигнала можно считать равной разности доплеровских приращений частот для крайних элементов цели. Так, если угловая ширина цели θц, а курсовой угол ее середины (угол между вектором относительной скорости V и направлением на цель) равен α, то ширина спектра отраженного сигнала при небольших θц ∆F=2Vθц sin α /λи. (7.16)

Зная ширину спектра можно рассчитать и время корреляции сигнала τ = l/∆F, характеризующее быстроту флуктуации. Из формулы (7.16) следует, что скорость флуктуации связана с относительной скоростью перемещения, курсом и размерами цели, что может быть использовано для опознавания вида цели по характеру флуктуации отраженного сигнала. Ширина спектра зависит также от угловых перемещений элементарных отражателей относительно центра масс цели. Так, при рыскании и кренах самолета в спектре флуктуации сигнала появляются частоты до сотен герц.

Флуктуации фазового фронта отраженной волны приводят к погрешностям при определении пеленга цели. Такие флуктуации неизбежны при радиолокационном пеленговании сложных объектов, положение центра отражения которых непрерывно меняется из-за взаимного перемещения РЛС и цели, изменения ракурса элементарных отражателей и их состава. Опыт показывает, что средне-квадратическая погрешность отклонения угла прихода радиолокационного сигнала реальной цели с видимым линейным размером dц на расстоянии D от РЛС σα=dц/4D. (7.17)

Флуктуации фазового фронта отраженной волны называют угловыми шумами цели. Их спектр для реальных целей лежит в области низких частот от 0 до 5 Гц и имеет ширину около долей герц. Спектр флуктуации нужно знать при проектировании РЛС с автоматическим сопровождением цели по угловым координатам. Статистические характеристики ЭПР целей и отраженных сигналов необходимы при расчете дальности действия РЛС, точности измерения координат, а также при проектировании устройства обработки сигналов РЛС. Ориентировочные расчеты проводят при экспоненциальном законе распределения ЭПР целей. При оценке дальности действия РЛС используют среднее значение ЭПР цели, которое получают усреднением значений ЭПР для различных направлений облучения цели. В табл. 7.1 приведены средние значения ЭПР для реальных объектов /2/. Таблица 7.1

ЭПР для реальных объектов радиолокационного наблюдения

На практике иногда возникает необходимость искусственного увеличения или уменьшения ЭПР реальных объектов. Так, для облегчения поиска спасательных лодок и плотов на них устанавливают уголковые отражатели, резко увеличивающие дальность радиолокационного обнаружения. В других случаях для уменьшения обнаруживаемости ракет, ЛА и кораблей стремятся снизить их ЭПР рациональным выбором конфигурации поверхности и применением защитных покрытий, уменьшающих отражение радиоволн.

Курсовой проект

СПбГУТ им. Бонч-Бруевича

Кафедра Радиосистем и обработки сигналов

Курсовой проект по дисциплине

«Радиотехнические системы», на тему:

«Эффективная площадь рассеяния»

Выполнил:

Студент группы РТ-91

Кротов Р.Е.

Принял: профессор кафедры РОС Гуревич В.Э.

Задание выдано: 30.10.13

Срок защиты: 11.12.13

Введение и т.з.

Структурная схема РЛС

Принципиальная схема РЛС

Теория работы устройства

Заключение

Список используемой литературы

Эффективная площадь рассеяния

(ЭПР; англ. Radar Cross-Section , RCS; в некоторых источниках - эффективная поверхность рассеяния , эффективный поперечник рассеяния ,эффективная отражающая площадь , ЭОП) в радиолокации - площадь некоторой фиктивной плоской поверхности, расположенной нормально к направлению падающей плоской волны и являющейся идеальным и изотропным переизлучателем, которая, будучи помещена в точку расположения цели, создаёт у антенны радиолокационной станции ту же плотность потока мощности, что и реальная цель.

Пример диаграммы моностатической ЭПР (B-26 Инвэйдер)

ЭПР является количественной мерой свойства объекта рассеивать электромагнитную волну. Наряду с энергетическим потенциалом приемопередающего тракта и КУ антенн РЛС, ЭПР объекта входит в уравнение дальности радиолокации иопределяет дальность, на которой объект может быть обнаружен радиолокатором . Повышенное значение ЭПР означает бо́льшую радиолокационную заметность объекта, снижение ЭПР затрудняет обнаружение (стелс-технология) .

ЭПР конкретного объекта зависит от его формы, размеров, материала, из которого он изготовлен, от его ориентации (ракурса) по отношению к антеннам передающей и приемной позиций РЛС (в том числе, и от поляризации электромагнитных волн), от длины волны зондирующего радиосигнала. ЭПР определяется в условиях дальней зоны рассеивателя, приемной и передающей антеннрадиолокатора.

Поскольку ЭПР - формально введенный параметр, то ее значение не совпадает ни со значением полной площади поверхности рассеивателя, ни со значением площади его поперечного сечения (англ. Cross-Section ). Расчет ЭПР - одна из задач прикладной электродинамики, которая решается с той или иной степенью приближения аналитически (только для ограниченного ассортимента тел простой формы, например, проводящей сферы, цилиндра, тонкой прямоугольной пластины и т. п.) или численными методами. Измерение (контроль) ЭПР проводится на полигонах и в радиочастотных безэховых камерах с использованием реальных объектов и их масштабных моделей.

ЭПР имеет размерность площади и обычно указывается в кв.м. или дБкв.м. . Для объектов простой формы - тестовых - ЭПР принято нормировать к квадрату длины волны зондирующего радиосигнала. ЭПР протяженных цилиндрических объектов нормируют к их длине (погонная ЭПР, ЭПР на единицу длины). ЭПР распределенных в объеме объектов (например, дождевого облака) нормируют к объему элемента разрешения РЛС (ЭПР/куб. м.). ЭПР поверхностных целей (как правило, участка земной поверхности) нормируют к площади элемента разрешения РЛС (ЭПР/кв. м.). Иными словами, ЭПР распределенных объектов зависит от линейных размеров конкретного элемента разрешения конкретной РЛС, которые зависят от расстояния РЛС - объект.

ЭПР можно определить следующим образом (определение эквивалентно приведенному в начале статьи):

Эффективная площадь рассеяния (для гармонического зондирующего радиосигнала) - отношение мощности радиоизлучения эквивалентного изотропного источника (создающего в точке наблюдения такую же плотность потока мощности радиоизлучения, что и облучаемый рассеиватель) к плотности потока мощности (Вт/кв.м.) зондирующего радиоизлучения в точке расположения рассеивателя.

ЭПР зависит от направления от рассеивателя на источник зондирующего радиосигнала и направления в точку наблюдения. Поскольку эти направления могут не совпадать (в общем случае источник зондирующего сигнала и точка регистрации рассеянного поля разнесены в пространстве), то определенная таким образом ЭПР называется бистатической ЭПР (двухпозиционной ЭПР , англ. bistatic RCS ).

Диаграмма обратного рассеяния (ДОР, моностатическая ЭПР , однопозиционная ЭПР , англ.monostatic RCS , back-scattering RCS ) - значение ЭПР при совпадении направлений от рассеивателя на источник зондирующего сигнала и на точку наблюдения. Под ЭПР часто подразумевают ее частный случай - моностатическую ЭПР, то есть ДОР (смешивают понятия ЭПР и ДОР) из-за малой распространенности бистатических (многопозиционных) РЛС (по сравнению традиционными моностатическими РЛС, оснащенными единой приемо-передающей антенной). Тем не менее, следует различать ЭПР(θ, φ; θ 0 , φ 0) и ДОР(θ, φ) = ЭПР(θ, φ; θ 0 =θ, φ 0 =φ), где θ, φ - направление на точку регистрации рассеянного поля; θ 0 , φ 0 - направление на источник зондирующей волны (θ, φ, θ 0 , φ 0 - углы сферической системы координат, начало которой совмещено с рассеивателем).

В общем случае для зондирующей электромагнитной волны с негармонической временной зависимостью (широкополосный в пространственно-временно́м смысле зондирующий сигнал)эффективная площадь рассеяния - отношение энергии эквивалентного изотропного источника к плотности потока энергии (Дж/кв.м.) зондирующего радиоизлучения в точке расположения рассеивателя.

Расчёт эпр

Рассмотрим отражение волны, падающей на изотропно отражающую поверхность, площадью равной ЭПР. Отражённая от такой цели мощность - это произведение ЭПР на плотность падающего потока мощности:

где - ЭПР цели, - плотность потока мощности падающей волны данной поляризации в точке расположения цели, - мощность, отражённая целью.

С другой стороны, излучённая изотропно мощность

Или, используя напряженности поля падающей волны и отраженной волны :

Мощность на входе приёмника:

,

где - Эффективная площадь антенны.

Можно определить поток мощности падающей волны через излучённую мощность и Коэффициент направленного действия антенны D для данного направления излучения.

Где .

Таким образом,

. (9)

Физический смысл эпр

ЭПР имеет размерность площади [м² ], но не является геометрической площадью (!), а является энергетической характеристикой, то есть определяет величину мощности принимаемого сигнала.

ЭПР цели не зависит ни от интенсивности излучаемой волны, ни от расстояния между станцией и целью. Любое увеличение ведёт к пропорциональному увеличению и их отношение в формуле не изменяется. При изменении расстояния между РЛС и целью отношение меняется обратно пропорционально и величина ЭПР при этом остается неизменной.

Эпр распространённых точечных целей

• Выпуклой поверхности

Поле от всей поверхности S определяется интегралом Необходимо определить E 2 и отношение при заданном расстоянии до цели…

,

где k - волновое число.

1) Если объект небольших размеров, то - расстояние и поле падающей волны можно считать неизменными.

2) Расстояние R можно рассматривать как сумму расстояния до цели и расстояния в пределах цели:

,
,

Плоской пластины

Плоская поверхность - частный случай криволинейной выпуклой поверхности.

Уголкового отражателя

Уголковый отражатель - устройство в виде прямоугольного тетраэдра со взаимно перпендикулярными отражающими плоскостями. Излучение, попавшее в уголковый отражатель, отражается в строго обратном направлении.

Треугольный

Если используется уголковый отражатель с треугольными гранями, то ЭПР

Дипольного отражателя

Дипольные отражатели используются для создания пассивных помех работе РЛС.

Величина ЭПР дипольного отражателя зависит в общем случае от ракурса наблюдения, однако, ЭПР по всем ракурсам:

Дипольные отражатели используются для маскировки воздушных целей и рельефа местности, а также как пассивные радиолокационные маяки.

Сектор отражения дипольного отражателя составляет ~70°