Експериментальне дослідження просторово-часових характеристик завад від морської поверхні - Автореферат

Однак пасивні завади у вигляді відбиттів від схвильованої морської поверхні (МП) і оптично неспостережуваних обєктів - “ангел-ехо” (АЕ) маскують корисні сигнали й погіршують ефективність навігаційних РЛС. У той же час такі характеристики, як викиди сигналів, відбитих від схвильованої МП, які дають значний внесок у загальну завадову обстановку, вивчені недостатньо, включаючи спектрально-часові характеристики викидів сигналів, особливо при використанні РЛС із високою роздільною здатністю при ковзних кутах опромінення, а також характеристики АЕ. Для цього в дисертації сформульовані й вирішені наступні завдання: - розроблено і створено багаточастотний радіолокаційний вимірювальний комплекс для проведення натурних досліджень просторово-часових і спектральних характеристик пасивних завад; проведено синхронні експериментальні дослідження просторово-часових і спектральних характеристик сигналів, відбитих від МП і АЕ на різних частотах і при ковзних кутах опромінення; Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному: - уперше проведено синхронні вимірювання просторово-часових і спектральних характеристик викидів сигналів РЛС із високою роздільною здатністю, відбитих від схвильованої МП у різних діапазонах довжин хвиль (? = 2 см, 3,2 см і 10 см) і при ковзних кутах опромінення, що дозволило уточнити існуючі моделі розсіювання радіохвиль залежно від ракурсу спостереження й стану МП;Розроблена апаратура містить у собі цифрові пристрої для запису й обробки радіолокаційної інформації у вигляді радара-процесора на базі швидкодіючого 12-розрядного АЦП ЛАН-10 USB з тактовою частотою до 100 МГЦ, що дозволило провести детальні дослідження просторово-часових і спектральних характеристик відбитих сигналів. Середня кількість викидів збільшується зі збільшенням хвилювання моря, а при збільшенні порогу С - зменшується, причому при низьких граничних рівнях розподіл симетричний щодо середнього значення й близький до гауссового закону, а зі збільшенням нормованого порогу С гістограми зміщуються убік менших значень , у той час як сам розподіл прямує до закону Пуассона. 2 наведені залежності середнього значення числа викидів і їхньої дисперсії залежно від порогу С, хвилювання моря й робочої довжини хвилі , які показують, що в діапазоні радіохвиль збільшення хвилювання моря від 2 до 5 балів призводить до збільшення середньої кількості викидів в 1,2 рази (С = 0,5) і вдвічі - при С ?2. 4 (1 - Ф = 180о, 2 - Ф = 90о, 3 - Ф = 30о, 4 - Ф = 0о) наведені залежності дисперсії числа викидів від рівня порогу при різній орієнтації випромінювання й бігу морських хвиль, які підтверджують зменшення дисперсії кількості викидів при будь-якому напрямку морських хвиль зі збільшенням порогу С, причому максимальне значення спостерігається при напрямку випромінювання проти бігу морських хвиль. Однак зі збільшенням дальності зменшується значно швидше при хвилюванні 2-3 бали, ніж при хвилюванні 5 балів.У роботі вирішено актуальне науково-прикладне завдання побудови уточнених моделей просторово-часових і спектральних характеристик пасивних завад у вигляді відбиттів радіохвиль від схвильованої МП під ковзними кутами опромінення й АЕ на основі результатів експериментальних досліджень у різних діапазонах довжин хвиль (? = 2 см, 3,2 см і 10 см). при низькому рівні порога С дисперсія кількість викидів мало залежить від хвилювання моря, а зі збільшенням граничного рівня С ? 2, дисперсія викидів зростає (при хвилюванні 5 балів дисперсія приблизно в чотири рази більше, ніж при хвилюванні 2 бали); Зі збільшенням дальності кількість викидів зменшується значно швидше при хвилюванні 2-3 бали, ніж при хвилюванні 5 балів, що варто враховувати при регулюванні швидкості зміни напруги ВАРУ; При хвилюванні моря 5 - 6 балів на дальності 15 км і напрямку опромінення проти бігу морських хвиль ширина спектра дорівнює ?f = 150…200 Гц (на рівні - 20 ДБ), а центральна частота на 120...

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У роботі вирішено актуальне науково-прикладне завдання побудови уточнених моделей просторово-часових і спектральних характеристик пасивних завад у вигляді відбиттів радіохвиль від схвильованої МП під ковзними кутами опромінення й АЕ на основі результатів експериментальних досліджень у різних діапазонах довжин хвиль (? = 2 см, 3,2 см і 10 см). Це дало можливість удосконалити алгоритми обробки сигналів навігаційних РЛС і забезпечити поліпшення характеристик виявлення цілей за наявності зазначених пасивних завад. Основні результати полягають у наступному: 1. Для проведення експериментальних досліджень просторово-часових і спектральних характеристик сигналів пасивних завад у вигляді відбиттів від МП і АЕ, розроблено і створено багаточастотний вимірювальний комплекс, що містить у собі вимірювальні РЛС із цифровою реєстрацією й обробкою сигналів у діапазонах ? = 2 см, ? = 3,2 см і ? = 10 см, а також пристрою цифрової реєстрації й обробки сигналів. У діапазоні ? = 10 см комплекс забезпечує проведення вимірювань характеристик пасивних завад з високим просторовим розрізненням за рахунок стиснення імпульсу (?R = 15 м) у когерентному й некогерентному режимах, а в діапазонах ? = 2 см і ? = 3,2 см - у некогерентному режимі.

2. Розроблено й реалізовано методики проведення натурних досліджень пасивних завад від схвильованої МП, вимірювання ймовірності виявлення надводних цілей, а також виділення сигналів, розсіяних АЕ на тлі відбиттів від МП за допомогою електронного сканування багатопроменевої діаграми спрямованості антени РЛС «Фрегат-МА» за кутом місця.

3. Проведено експериментальні дослідження характеристик сигналів, відбитих від схвильованого МП, і АЕ за допомогою розробленого вимірювального комплексу, включаючи: 3.1. Характеристики розподілу викидів сигналів, відбитих від МП, включаючи кількість викидів, їхню тривалість і інтервал між викидами. Показано, що: - вид розподілу залежить від кута між променем РЛС і напрямком бігу хвиль, а також від дальності;

- при низьких значеннях порога С розподіл числа викидів симетричний щодо середнього значення й близький до гауссового закону, а зі збільшенням порога - прямує до закону Пуассона;

- при низькому рівні порога С дисперсія кількість викидів мало залежить від хвилювання моря, а зі збільшенням граничного рівня С ? 2, дисперсія викидів зростає (при хвилюванні 5 балів дисперсія приблизно в чотири рази більше, ніж при хвилюванні 2 бали);

- при низькому порозі С середня кількість викидів сигналів у діапазоні приблизно в 1,5 рази більше, ніж у діапазоні , а їхні гістограми зміщені убік більших значень кількості викидів;

- на малих дальностях середня кількість викидів практично не залежить від хвилюванні моря в діапазоні 2-5 балів. Зі збільшенням дальності кількість викидів зменшується значно швидше при хвилюванні 2-3 бали, ніж при хвилюванні 5 балів, що варто враховувати при регулюванні швидкості зміни напруги ВАРУ;

- при низькому порозі середня тривалість викидів при опроміненні уздовж морських хвиль в 1,8 рази більша, ніж услід морським хвилям, і в р1,3 рази більше, ніж при опроміненні проти морських хвиль для однієї й тієї самої інтенсивності хвилювання моря 2-3 бали;

- тривалість викидів у діапазоні ? = 3,2 см помітно перевищує відповідні значення в діапазоні ? = 2 см для всіх значень порогу. Крім того, для малих значень порогу дисперсія тривалості викидів також істотно більша в діапазоні ? =3,2 см;

- при малих кутах ковзання виявлено ефект стійких викидів, котрий полягає в появі повільно флуктуючих викидів. У діапазоні стійкі викиди краще спостерігаються при опроміненні проти бігу морських хвиль і при горизонтальній поляризації.

3.2 У результаті дослідження характеристик допплерівського спектра сигналів, відбитих від МП, показано, що: - ширина допплерівського спектра флуктуацій сигналів практично не залежить від кута опромінення й від дальності, при цьому ширина спектра на рівні -3 ДБ дорівнює приблизно ?f = 120…130 Гц;

- у діапазоні радіохвиль і при зміні інтенсивності хвилювання моря від 3-5 балів характеристики спектрів сигналів, відбитих від МП, практично не змінюються. Істотне збільшення центральної частоти й ширини спектрів зі збільшенням інтенсивності хвилювання спостерігається тільки в моменти обвалення гребенів морських хвиль. При хвилюванні моря 5 - 6 балів на дальності 15 км і напрямку опромінення проти бігу морських хвиль ширина спектра дорівнює ?f = 150…200 Гц (на рівні - 20 ДБ), а центральна частота на 120...150 Гц більше, ніж аналогічні характеристики, отримані в умовах сталого хвилювання моря з інтенсивністю 3-4 бали;

- у діапазоні спостерігається зсув максимуму спектра, розширення його смуги й спотворення форми зі збільшенням інтенсивності хвилювання моря: при зміні хвилювання моря від 2 до 6 балів ширина спектра на рівні - 3 ДБ збільшується від 40 Гц до 110 Гц;

- запропоновано й досліджено двокомпонентну модель спектра морського хвилювання, у якій “енергоносійна” частина (від 0 ? -10 ДБ) апроксимована гауссовою моделлю, а “крила” спектра - степеневою залежністю, знайдено параметри переходу від однієї моделі до іншої при зміні хвилювання й дальності.

3.3 Досліджено характеристики сигналів АЕ й показано, що: - великий розкид по частоті Допплера 1...2 КГЦ погіршує ефективність традиційних методів селекції рухомих цілей;

- для селекції корисних сигналів викликає інтерес використання ширини спектра; допплерівського зсуву частоти; часу існування; виду траєкторії руху й розходжень в ЕПР;

- кількість АЕ й потужність відбитого сигналу зменшуються зі збільшенням кута місця, найбільша кількість АЕ спостерігається на відстані 10...15 км від берегової смуги в ранкові й вечірні години, а вдень ця відстань збільшується до 20...25 км;

- сигнали від АЕ розподілені в широкому діапазоні висот - 0?6 км і швидкостей 0?40 м/с, а значення ЕПР - від 0,1 см2 до 0,1 м2. Час існування становить 10-100 с, а переміщення АЕ умовно відповідають траєкторіям: - хаотичне;

- однаково спрямоване;

- збіжне з напрямком вітру;

- різноспрямоване;

- АЕ спостерігаються найчастіше в період активної тропосфери (із квітня по жовтень) і менш часто - в осінньо-зимовий сезон. Кількість і інтенсивність АЕ залежать від умов проходження радіосигналів на трасі поширення: більш високому градієнту атмосферної рефракції відповідають більш високі густина АЕ і їхня інтенсивність. Найбільша тривалість існування АЕ спостерігається в теплі безвітряні дні, досягаючи 4...5 хв., у той час як при вітряній погоді час існування скорочується до десятків секунд;

- спектри сигналів АЕ розподілені в широкій області частот, що дає змогу відрізняти їх від сигналів, розсіяних морською поверхнею. Середнє значення допплерівської частоти в діапазоні становить приблизно 220Гц (середня швидкість 12 м/с), середньоквадратичне значення ширини спектра ?50 Гц. Спектр АЕ часто не відрізняється від спектра надводних обєктів, що призводить до маскування сигналів малорозмірних цілей;

- порівняння даних, отриманих у діапазоні і см показує, що значення середньої допплерівської частоти сигналів АЕ залежить не лише від робочого діапазону частот і швидкості вітру. Часто центральна частота допплерівського спектра істотно перевищує значення, яке відповідає швидкості вітру, що пояснюється обертовим рухом повітряних мас у конвективній комірці.

4. Результати проведених натурних досліджень використані для розробки алгоритмів обробки сигналів на тлі пасивних завад від моря, у тому числі: - розроблено і виготовлено радар-процесор на основі виробу 6П-07 для навігаційної РЛС “Вайгач”, що використовувався для оцінки ефективності запропонованих алгоритмів обробки відбитих сигналів;

- розроблено алгоритм обробки сигналів, відбитих від МП, з урахуванням дослідженої азимутальної залежності розподілу числа викидів. Алгоритм використовує адаптивний поріг, що змінюється залежно від кута повороту антени, що приводить до вирівнювання інтенсивності відбиттів радіолокаційного сигналу від МП за азимутом, а параметри порогу визначаються інтенсивністю хвилювання на морі й уводяться в програму процесора.

5. Для оцінки ефективності розробленого алгоритму проведено натурні вимірювання ймовірності радіолокаційного виявлення малої морської цілі у вигляді гідрографічного катера з еталонною ЕПР=100 м2, що рухався різними галсами в прибережній акваторії. При цьому відносний кут опромінення поверхні моря (кут між віссю антени й бігцем морських хвиль) становив ?=5 кут. Град. (назустріч бігу хвиль) і ? = 83 кут. град. (упоперек бігу хвиль);

6. У результаті натурних вимірювань характеристик виявлення малої морської цілі підтверджено ефективність розробленого алгоритму й показано, що його застосування для навігаційної РЛС “Вайгач” забезпечує збільшення дистанції впевненого виявлення надводної цілі на 31% (імовірності виявлення 0,9) і відсутність залежності ймовірності виявлення від відносного кута опромінення.

7. Результати виконаних досліджень впроваджені в штатних навігаційних РЛС у лабораторії вимірювальної техніки Чорноморського Флоту Російської Федерації (акт впровадження № 529 від 11.09.09 р.). Крім того, спосіб підвищення характеристик виявлення корисних сигналів у навігаційних РЛС для штормових умов підтверджений свідоцтвом про пропозицію № 529 від 11.09.2009 р.

1. Миронов В.А. Исследование отражений от неоднородностей приводного слоя атмосферы // Материалы XLIX всероссийской межвузовской научно-технической конференции. - Владивосток: ТОВМИ. - 2006. - Том 1. - С. 282-290.

2. Миронов В.А. Экспериментальные исследования статистических характеристик выбросов помех от морской поверхности // Материалы 4-ой международной научно-технической конференции «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций». - Севастополь, 2008. - Сек.8. - С. 361.

3. Миронов В.А., Хоменко С.И. Исследование отражений от неоднородностей приводного слоя атмосферы // 3-й Международный радиотехнический форум «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития». - Харьков, 2008. - Том 1, ч. 2. - С. 188-191.

4. Миронов В. А. Экспериментальные исследования распределения числа выбросов радиолокационного сигнала отраженного от морской поверхности // Системы обработки информации. - Харьков: ХУПС. - 2009. - Вып. 3 (77). - С.54-59.

5. Миронов В.А. Экспериментальные исследования спектральных характеристик сигналов, отраженных от морской поверхности // Системы управления, навигации и связи. - Киев: ЦНДИНУ. - 2009. - Вып. 1 (9). - C. 57-62.

6. Миронов В. А., Хоменко С.И., Хлопов Г.И. Исследование обратного рассеяния радиоволн СВЧ диапазона неоднородностями приводного слоя атмосферы // Радиофизика и электроника. - Харьков: ИРЭ. - 2009. - Том 14, №3. - С.331-336.

7. Миронов В.А. Оценка оптимизации обработки радиолокационных сигналов на фоне пассивных помех // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций. - Севастополь: Сев. ТУ, 2010. - С. 25.

8. Миронов В.А. Определение характеристик обнаружения радиолокационных сигналов на фоне пассивных помех в морских условиях // Системы обработки информации. - Харьков: ХУПС. - 2010. - Вып. 1. - С. 25-30.

Размещено на .ru