Радиолокационные характеристики летательного аппарата (ЛА) как элемент информационного канала

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оренбургский государственный университет, г. Оренбург

Радиолокационные характеристики летательного аппарата (ЛА) как элемент информационного канала

Дудоров В.Б., доцент

Как известно, основными задачами управления летательными аппаратами являются обнаружение и измерение параметров их движения, а в ряде случаев распознавание.

Эти задачи сводятся к измерению с помощью радиолокационной станции (РЛС) некоторых характеристик электромагнитного поля, рассеянного летательного аппарата (цели). В этом случае РЛС необходимо рассматривать как основной элемент сложной информационной системы, адекватная модель которого может обеспечить эффективное решение поставленных задач [1].

Такая модель, отражающая взаимные связи составляющих ее элементов, должна описывающая с заданной точностью процесс преобразования характеристик сигналов в радиолокационном канале (РЛК) на пути от передатчика до устройства обработки РЛС.

В отличие от других информационных каналов РЛК обладает рядом особенностей, которые необходимо учитывать при создании его математической модели.

Одной из них является специфика формирования радиолокационного сигнала, которое в случае радиолокационного наблюдения осуществляется в несколько этапов. На начальном этапе в передающем тракте РЛС генерируется зондирующий сигнал переносчик информации. Радиолокационная информация формируется в процессе взаимодействия излучаемой передающей антенной электромагнитной волны с объектом радиолокации. Это взаимодействие проявляется в возникновении рассеянного поля с определенным пространственно-временным распределением амплитуды, фазы и поляризации. В приемном тракте РЛС производится оптимальная обработка принятого сигнала.

Другой характерной особенностью РЛК является протекание в нем двух видов процессов: чисто временных (сигналы в приемопередающем тракте РЛС) и пространственно-временных (электромагнитные поля в окружающей РЛС среде), поэтому обработка сигналов в РЛС должна быть многопараметрической (многомерной).

С учетом перечисленных особенностей РЛК при формировании его математических моделей обычно исходят из следующих, достаточно общих предположений [2]:

1. Весь РЛК состоит из последовательности элементов (рисунок1). В первом приближении считается, что обратные связи между элементами РЛК отсутствуют

2. Для описания преобразующих свойств всего РЛК используется феноменологический принцип, в соответствии с которым каждый элемент РЛК является некоторым многополюсником с известной связью входа и выхода. Число входов и выходов многополюсника соответствует размерности входных и выходных векторных сигналов.

Рисунок 1. Модель радиолокационного канала

3. Каждому из элементов РЛК в виде многополюсника сопоставляется некоторый оператор (стохастический или детерминированный), конкретный вид которого определяется на основании изучения физических особенностей данного элемента.

Взаимодействие различных элементов РЛК может быть описано с помощью ряда операторов и векторов, соответствующих различным блокам на рисунке1:

оператор передающего тракта РЛС, описывающий преобразование излучаемого (зондирующего) сигнала в излучаемую электромагнитную волну с заданной пространственно-временной и поляризационной структурой;

оператор, характеризующий свойства приемного тракта РЛС;

и операторы преобразования сигналов на трассах «передатчик - цель» и «передатчик - источник пассивной помехи» соответственно;

и аналогичные операторы преобразования на трассах «цель - приемник» и «пассивные помехи - приемник» соответственно;

и операторы цели и пассивных помех соответственно;

вектор активных помех.

Тогда сигнал на выходе приемного тракта РЛС может быть найден из выражения

. (1)

Уравнение (1) является основой для постановки задачи по оптимизации РЛС в процессе их моделирования. Важно отметить, что в процессе оптимизации имеется возможность варьировать лишь операторами передающего и приемного трактов РЛС, а также видом радиолокационного сигнала .

Из этого следует важный вывод, что априорная информация о целях (оператор ) и помехах (оператор ) является тем фундаментом, на котором должна строиться вся работа по оптимизации. По заданным параметрам зондирующего сигнала и характеристикам рассеяния можно определить параметры отраженного сигнала .

Далее оптимизация структуры и параметров конкретной РЛС, решающей в определенных условиях ту или иную задачу (обнаружение, измерение параметров, распознавание и т.п.), может проводиться двумя способами. Если параметры облучающего сигнала фиксированы, оптимизируется по выбранному критерию только приемный тракт РЛЦ, характеристики которого выбираются в соответствии с отраженными сигналами, последние, в свою очередь, определяются по радиолокационным характеристикам целей.

Отсюда следует, что представление ЛА оператором рассеяния позволяет математически корректно ставить задачу оптимизации модели РЛС в обоих указанных выше случаях.

Трактовка радиолокационных характеристик ЛА как независимого элемента информационного канала имеет ряд существенных достоинств и позволяет:

решать задачи по оценке эффективности радиолокационного обнаружения заданных классов ЛА (т.е. с заданными радиолокационными характеристиками) при заданных условиях (форма зондирующих сигналов, законы движения ЛА и т.п.);

получать исходные данные для оптимизации обработки отраженных сигналов при измерении параметров;

определять оптимальные параметры зондирующих сигналов с точки зрения задач распознавания целей.

Эффективность решения указанных задач зависит от вида зондирующего радиолокационного сигнала , ширины его спектра и рабочей частоты РЛС.

В свою очередь, ширина спектра сигнала РЛС определяется набором параметров, которые измеряет РЛС [2]:

координатные (координаты ЛА и его первые производные, т.е. движения его центра масс);

некоординатные (сведения о форме ЛА, его размерах и параметров движения вокруг центра масс).

В первом случае конечной задачей измерения координатных параметров является определение траектории ЛА, во втором решение задачи распознавания.

При измерении координатных параметров используются сравнительно узкополосные сигналы. Например, для обнаружения таких сравнительно медленно летящих ЛА, как самолеты, применяются сигналы с шириной спектра .

Задачи измерения некоординатных параметров решаются с помощью широкополосных сигналов с полосой от нескольких сотен мегагерц (200...300 МГц) до 1 ГГц.

Таким образом, качественное решение большинства задач радиолокации достигается путем увеличения ширины спектра зондирующего сигнала . При этом, как правило, увеличивается и несущая частота , так что остается справедливым традиционное в радиотехнике предположение об узкополосности сигнала

. (2)

Существуют радиолокационные сигналы с внутриимпульсной частотной или фазовой модуляцией, которая не нарушает условия (2). Такие сигналы относятся к узкополосным или квазимонохроматическим. Переход от монохроматических сигналов к сложным существенно изменяет величину выходного сигнала и вид оператора .

Соответственно немонохроматические сигналы, характеризующиеся соизмеримыми значениями ширины их спектра и средней («несущей») частоты

(3)

принято называть сверхширокополосными (СШП) [3]. Сложные сигналы также могут принадлежать к СШП сигналам, если, например, девиация частоты при линейной частотной модуляции (ЛЧМ) удовлетворяет условию (3).

Применение СШП радиолокационных сигналов имеет целью измерение радиолокационных характеристик и некоординатных параметров в диапазоне частот настолько широком, что эти характеристики заметно изменяются с частотой. Наибольшая частотная зависимость имеет место на частотах резонансного диапазона, ограниченного сверху областью высоких частот (квазиоптической) с максимальной частотой , а снизу низкочастотной (рэлеевской) с минимальной частотой . Условия одновременного получения информации во всех трех областях определяются неравенствами:

(4)

где волновое число;

характерный размер ЛА;

длина волны РЛС.

Для выполнения условий (4) необходимо соблюдение неравенства или . При этом отношение ширины спектра к средней («несущей») частоте зондирующего сигнала, называемое показателем широкополосности, определяется как

. (5)

Стремление к увеличению информативности радиолокационных измерений непосредственно приводит к необходимости использования СШП-сигналов, удовлетворяющих условию (3). Значение показателя широкополосности является теоретическим пределом и достигается лишь при .

Проведенное рассмотрение показывает, что следует различать три основных типа зондирующих радиолокационных сигналов: узкополосные (квазимонохроматические), сложные и сверхширокополосные. От типа сигнала существенно зависит характер рассеяния радиоволн на ЛА и структура оператора, который должен его описывать.

Список литературы

радиолокационный станция летательный аппарат

1. Ботов, М.И. Введение в теорию радиолокационных систем: монография / М.И. Ботов, В.А. Вяхирев, В.В. Девотчак; под ред. М.И. Ботова; Министерство образования и науки Российской Федерации, Сибирский Федеральный университет. Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2012. 394 с.

3. Бакулев, П.А. Радиолокационные системы. Учебник для вузов. / П.А. Бакулев М.: Радиотехника, 2004. 320 с.

3. Варганов, М.Е. Радиолокационные характеристики летательных аппаратов / М.Е. Варганов, Ю.С. Зиновьев, Л.Ю. Астанин и др.; под ред. Л.Т. Тучкова. М.: Радио и связь, 1985. 236 с.

Размещено на Allbest.ru