СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ И ДИПОЛЬНЫЙ РАДИООТРАЖАТЕЛЬ Российский патент 1996 года по МПК G01S7/36 H01Q15/00 

Изобретение относится к технике, связанной с обнаружением подвижных, главным образом малозаметных (малоотражающих) объектов, осуществляемым визуально и/либо с использованием локационных систем активного или пассивного метода локации, и может быть использовано в различных охранных (защитных) системах, при управлении воздушным движением (в аэропортах), исследованиях космоса, баллистических измерениях и т.п.

Известен способ, в котором процесс обнаружения сигнала (а на его основе объекта, сообщения и т.п.) включает оптимальный (мера оптимальности зависит от видов сигналов и сопровождающих их помех, от соответствия достигаемого положительного эффекта материальным затратам на реализацию этого эффекта) прием сигнала, например, сравнением требуемого его параметра (уровня, фазы, частоты, временного положения и т.п.) с пороговым значением (Радиоприемные устройства. /Под ред. Жуковского. М. В шк. 1989, с. 211, 213-224). Оптимальность предполагает достижение максимально возможного энергетического отношения сигнал/шум, помеха. Оптимальный прием ведется с использованием корреляторов либо согласованных фильтров.

Обнаружение сигналов (объектов) характеризуется некоторой точностью, которая при необходимости может быть повышена: сначала поисковый локатор с малой направленностью (широким полем зрения) направление на объект определяет грубо, а затем, сосредоточив свои поисковые усилия на этом направлении (сузив диаграмму направленности, поле зрения) дообнаруживает и сопровождает этот объект более точно (Харкевич А.А. Борьба с помехами. М. Наука, 1965, с. 43).

Наиболее близким к изобретению является способ (Бакулаев П.А. и Степин В. М. Методы и устройства селекции движущихся целей. М. Р. и св. 1986, с. 13-27, 28-65), включающий те же операции оптимального приема и принятия решения, в котором прием сигналов ведется на фоне пассивных помех (в виде естественных дождя, снега, града, тумана либо искусственно созданных облаков из радиолокационных диголей, дымов и т.п.), нежелательное влияние сигналов от которых (в виде маскирования полезного сигнала) стараются уменьшить с помощью схем когерентной либо некогерентной селекции движущихся целей (объектов).

Предлагаемый способ направлен на повышение вероятности правильного визуального либо автоматического (посредством локационной системы) обнаружения (выделения сигналов от) малозаметных (слабоконтрастных, малоотражающих) объектов, причем без увеличения энергопотенциала локационной системы (чувствительности приемника), без сокращения радиуса действия, и, кроме того, на получение попутного технического эффекта улучшение внешней электромагнитной совместимости (ЭМС) излучающих и приемных систем.

Указанные проблемы актуальны для различных сфер жизни. К примеру, естественное стремление придать подвижным объектам (самолетам, высокоскоростным автомобилям, поездам и т.п.) аэродинамически более совершенные формы влечет за собой существенное снижение эффективной площади рассеяния (ЭПР), заметности, а следовательно, и определенные сложности в их своевременном (на требуемом удалении) обнаружении для принятия соответствующих ситуации мер: реагирования на несанкционированное проникновение нежелательного объекта на/в охраняемую зону, счет подвижных исследуемых (ожидаемых) объектов, входящих в зону регистрации, и т.п. А.И.Палий "Радиоэлектронная борьба, М. Воениздат, 1981, с. 116, 117).

Наиболее близким к изобретению является дипольный радиоотражатель (Бакулев П. А. и Степин В.М. Методы и устройства селекции движущихся целей. М. Р. и св. 1986, с. 92-98), представляющий собой весьма тонкий полуволновый (с длиной порядка половины длины волны подавляемой станции) вибратор из электропроводящей фольги либо металлизированных алюминием, серебром бумажных лент, стеклянного, синтетического (капронового, нейлонового) волокна и т.п.

Недостатком такого вибратора является довольно высокое значение коэффициента отражения волн оптического (видимого) диапазона, в ряде случаев негативно сказывающееся на возможностях визуальной оценки обстановки, имеющей место как за, так и перед облаком из упомянутых радиоотражателей.

Технический эффект предлагаемого способа обнаружения подвижных объектов (преимущественно малозаметных: малоразмерных, слабоотражающих), основанного на приеме (оператором и/или локационной системой пассивного либо активного метода локации) и сравнении с пороговым значением сигналов, приходящих из охранной (контролируемой, исследуемой) зоны (области пространства), достигается за счет того, что прием сигналов ведут на фоне (в присутствии предварительно созданного локального образования с отличающимися от окружающей среды физическими параметрами), располагаемого в охранной зоне на удалении (от обнаружителя) требуемого обнаружения (как правило, на периферии охранной зоны), причем с перекрытием направлений возможного внедрения объектов в эту зону (область).

В случае осуществления обнаружения посредством пассивной системы (приемника), к которой можно отнести и глаз оператора, локальное образование создают путем постановки фоновой завесы, контрастирующей с обнаруживаемыми объектами, проходящими через нее.

В другом варианте локальное образование образуют в окружающей среде путем добавки, распределения в ней веществ (ингредиентов), в том числе и мелкодисперсных, имеющих составляющие спектра собственного излучения и/либо переизлучения, лежащие в полосе приема.

Решение об обнаружении (появлении) объекта в этом случае принимают по факту превышения порогового значения скоростью изменения уровня (амплитуды) и/или допплеровской частотой принимаемого сигнала. Это имеет место в момент пересечения (возмущения) обнаруживаемым объектом локального образования (главным образом, при выходе из него). Величину порогового значения устанавливают исходя из приемлемых значений вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги.

В определенных условиях использования и, главное, при наличии достаточного резерва времени, в целях более надежного обнаружения и/либо определения траекторных параметров обнаруживаемого подвижного объекта, между обнаружителем (локационной системой, наблюдателем) и первым (как правило, дальним периферийным) слоем проявителя местоположения подвижного объекта располагают, создают дополнительное локальное образование, причем, как правило, по сигналу (факту) обнаружения упомянутого объекта в первом (ранее созданном) локальном образовании.

Учитывая, что со временем слой локального образования естественно просветляется (явление седиментации) либо сносится воздушными потоками с места оптимального расположения, требуется воссоздание (воспроизведение, поддержание на должном уровне) параметров слоя проявителя.

В одном из вариантов это осуществляют периодически, исходя из расчетных либо экспериментальных данных о времени просветления слоя, а в другом путем приема, фильтрации, сравнения с пороговым значением принимаемого сигнала, приходящего от невозмущенного обнаруживаемым подвижным объектом локального образования (излучаемого или переотражаемого этим слоем) либо из-за него, и на основе этого сравнения выработки команды для средств воссоздания требуемых параметров локального образования.

Технический эффект предлагаемого дипольного радиоотражателя, содержащего несущую основу (как правило, протяженную), хотя бы на части поперечного сечения выполненную электропроводящей (переотражающей, переизлучающей радиоволны), достигается за счет того, что электропроводящая часть дипольного радиоотражателя выполнена с максимально возможным малым (низким) коэффициентом обратного отражения электромагнитных волн оптического (видимого) или иного диапазона длин волн, используемого для оценки обстановки за либо перед слоем-проявителем.

Конструктивно это достигается за счет расположения электропроводящей части (нити, полоски, слоя и т.п.) внутри несущей радиопрозрачной основы (например, из капронового, нейлонового волокна, материала), либо под слоем радиопрозрачной краски, окисла, поглощающих или диффузно (незеркально) рассеивающих падающих на них свет.

В одном из вариантов радиодиполь, диффузно рассеивающий падающий на него свет, выполнен по всему поперечному сечению только из углеволокна, обладающего в некоторых случаях приемлемой для радиодиполя электропроводностью.

На фиг.1 показано локальное образование каким является искусственно созданная фоновая завеса; на фиг.2 локальное образование каким является слой дипольных радиоотражателей; на фиг.3а и б упрощенная структурная схема локационной системы, осуществляющей автоматическое обнаружение подвижных объектов по предложенному способу и контроль за параметрами локального образования, проиллюстрированного на фиг. 2 (за концентрацией диполей), а также спектр принимаемых сигналов в координатах "амплитуда-частота f"; на фиг.4 и 5 устройство предлагаемого диполя; на фиг.6 характер взаимодействия оптического излучения с радиодиполем-прототипом; на фиг.7, 8 то же, с предложенным малоотражающим в оптическом диапазоне диполем.

На фиг.1 изображены предметы 1 естественной фоновой обстановки, в отсутствие искусственно созданной фоновой завесы 2 делающие практически невозможным обнаружение сливающегося с фоном подвижного объекта 3. В приведенном примере фоновая завеса (локальное образование) 2 создается, подновляется легким, например, дистанционно управляемым летательным аппаратом 4, распыляющим завесообразующий состав (частицы пыли, водного тумана и т.п.) с наветренной (направление ветра отмечено стрелкой 5) от контролируемой области пространства стороны.

Согласно фиг.2 на пути (траектории) 6 возможного движения подлежащих обнаружению подвижных объектов 4 (практически не наблюдаемых в радиолокационном диапазоне длин волн вследствие применения радиопоглощающих покрытий, аэродинамически совершенных форм и иным мер по снижению их ЭПР) из дипольных (полуволновой длины) радиоотражателей создано локальное образовано 2. Изображенный на фиг.2 подвижный объект 3 внедрился в локальное образование 2 и за счет сил трения о воздух при полете с дозвуковой скоростью либо баллистической волны 7 (уплотненного воздуха в исходящем от объекта 3 тонком слое конической формы) при сверхзвуковом полете привел в движение со скоростью, близкой к скорости объекта 3, диполи 8 (вынесенные из зоны 9 слоя 2) и диполи 10 (засасываемые в зону 9 разрежения, завихрения). Примерное значение скорости (по направлению и величине) "возмущенных" (затронутых) объектом 3 диполей 8 иллюстрируют стрелки-векторы 11.

Скорость хорошо отражающих радиоволны диполей 8 и 10, приведенных в движение подвижным объектом 3, и является тем информационным признаком, по которому с помощью локационной системы (ЛС) регистрируется появление в охраняемой (контролируемой) области пространства подвижных объектов 3, причем с высокой вероятностью, практически не зависящей от собственной ЭПР этих объектов.

Согласно фиг. 3 эта ЛС содержит приемо-передающее устройство (ППУ) 12 с приемо-передающей антенной системой 13. К выходу ППУ 12 параллельно подключены каналы из узкополосных фильтров 14 (вместе перекрывающих весь спектр 15 допплеровских частот f сигналов от обнаруживаемых посредством "возмущенной" части 8 диполей локального образования 2) и решающих (в простейшем случае, пороговых) устройств 16, нагруженных входами блока 17 совместной (и иной дополнительной) обработки сигналов с частотных каналов. Блок 17 выдает окончательную (исполнительную) команду о наличии (обнаружения) подвижного объекта 3.

Приемный канал из фильтра 18 и решающего (в простейшем случае порогового) устройства 19 настроен на оценку параметров локального образования 2, в частности на реагирование на снижение в нем средней концентрации диполей до предельно допустимого уровня. К выходу этого канала подключены средства 20 создания (и последующего поддержания требуемых параметров) локального образования (завесы). Для лучшего использования завесы в условиях ветра, относящего завесу с требуемого места расположения, средства 20 (например, установка, метающая, распыляющая завесообразующий состав) приводами наведения связаны с датчиком 21 ветра 5.

Для своевременной постановки (создания) дополнительного слоя локального образования, используемого, например, в целях вычисления траекторных параметров малозаметных объектов 3, блок 17 дополнительным выходом, несущим информацию об обнаружении объекта в первом слое, барьере, связан со средствами 20, причем непосредственно либо через блок 19.

Для компенсации (учета) допплеровского сдвига контролирующего завесу (слой локального образования 2) сигнала, вызванного относительным движением носителя данной ЛС, управляющий вход фильтра 18 связан с датчиком 22 скорости движения носителя. Допплеровский сдвиг частоты f сигнала равен 2V/λ где V скорость относительного движения, λ- длина волны несущего излучения ЛС.

Эффективная ширина спектра 23 сигналов, отраженных от невозмущенных обнаруживаемыми объектами облаков диполей, т.е. ширина спектра естественных флюктуаций даже с учетом влияния ветра не превышает, к примеру, в сантиметровом диапазоне длин волн нескольких сотен герц. Спектр же отражений 15 от участков 8, 10, возмущенных (всколыхнутых) подвижными объектами 3, имеющими скорость не менее 10 м/c, лежит заметно выше указанных частот и может быть легко отфильтрован.

Согласно фиг. 4, 5 предлагаемый дипольный (полуволновый) радиотражатель содержит токопроводящую часть 24 и радиопрозрачную для длин волн из рабочего диапазона диполя (по типу аэродинамических обтекателей самолетных и иных антенн) и в то же время неблестящую в требуемом (в частности, видимом) диапазоне длин волн оболочку 25, в ряде случаев с функциями прочной несущей основы. Наружная часть 25 такого диполя (оболочка, защитный слой краски, окисла и т.п.) поглощает и/либо диффузно (незеркально) рассеивает падающее на него излучение (например, видимого диапазона), используемое для оценки обстановки за либо перед завесой (слоем) 2.

Согласно фиг.6 лучи 26 (например, излучение солнца), падающие на диполь-прототип 27, после переотражения (поз.28) могут попасть в приемник (глаз) 29 и ослепить его либо снизить чувствительность.

Согласно фиг. 7 "вредные" лучи 26 практически полностью поглощаются, а согласно фиг.8 диффузно рассеиваются оболочкой, (покрытием) 25 предложенного дипольного радиоотражателя 30, эффективно работающего в качестве диполя (полуволнового вибратора) для волн радиодиапазона.

Постановка и подновление слоев локального образования 2 местоположения подвижных объектов 3 может базироваться на широко известных методах постановки пассивных помех (Бакулев П.А. и Степин В.М. Методы и устройства селекции движущихся целей. М. Рад. и св. 1986, с. 96, 97). В зависимости от сферы применения данного изобретения и выбранного вида и диапазона длин волн можно использовать самолетные (вертолетные) автоматы-разбрасыватели (диспенсеры), иные метающие, распыляющие завесообразующий состав (ингредиенты) устройства (по типу противоградовых артсистем), ионизаторы окружающей среды и т.п. Один из вариантов проиллюстрирован на фиг.1.

Периодичность воссоздания (подновления) слоев зависит от величины превышения (запаса) площадью данного слоя контролируемой площади, от скорости воздушных потоков, от средней скорости снижения завесообразующих ингредиентов, частиц. Последняя, к примеру, у диполей из металлизированного стекловолокна не превышает 0,3 м/с, а у мелкодисперсных пылинок (в пылевой фоновой завесе) и того меньше.

Попутное маскирующее (для несущего излучения собственной ЛСЛС и мешающего излучения других систем) действие слоя из полуволновых вибраторов (их ЭПР примерно в 16 раз превышает асимптотическое значение ЭПР, может быть оценено по формуле для коэффициента К ослабления электромагнитной волны (Бакулев П. А. и Степин В.М. Методы и устройства селекции движущихся целей. М. Рад. и св. 1986, с. 92-98):
K l^L где λ- длина волны;
среднее число вибраторов (диполей) в единице объема;
L глубина (толщина) слоя локального образования (облака).

Отсюда требуемая для достижения заданного ослабления К концентрация диполей
(0,073λ²L)^-1 lg K
К примеру, для достижения ослабления в 10 раз при λ= 1 см и L 1 м требуется концентрация порядка 10⁵ шт./м³ (один диполь на 10 см³ или, иначе, на куб со стороной 2, 154 см).

Если принять максимальный размер поперечного сечения полуволнового вибратора равным 10^-5 м, то в объеме одного литра (дм³) можно разместить не менее 2·10⁹ диполей. Данным количеством диполей можно обеспечить К 10 в объеме 2·10⁴ м³ (без учета качества разделения, разлета диполей), что в идеале эквивалентно площади слоя-проявителя 2 метровой толщины порядка 2·10⁴ м² (с размерами, например, 200 х 100 м).

При выходе подвижного объекта 3 из данного слоя диполи области 8, ускоренные этим объектом (см. фиг.2), как бы придают подвижному объекту эффективную площадь рассеяния σ, равную (вне зависимости от величины собственной ЭПР) не менее
σ 0,17 W 0,17 5•S•L где W объем части слоя локального образования, в которой диполи 8 ускорены подвижным объектом 3;
S площадь поперечного сечения подвижного объекта 3.

В данной формуле пятикратное (в сравнении с поперечным сечением подвижного объекта 3) увеличение площади поперечного сечения объема, в котором диполи 8 ускоряются (увлекаются) этим объектом, базируется на расчетных и экспериментальных данных.

Исходя из λ= 1 см, 10⁵ шт./м³ (при К 10), L 1 м и S 100 см² (диаметр поперечного сечения объекта 3 порядка 115 см), величина упомянутой ЭПР составит около 850 см², что вполне достаточно для обнаружения на требуемом удалении посредством существующих ЛС. Увеличение приведенного значения концентрации диполей втрое увеличит ЭПР также втрое, а маскирующие свойства завесы в 1000 раз.

Время взаимодействия подвижного объекта 3 (без учета его протяженности) со сравнительно тонким слоем локального образования 2, т.е. время существования группы диполей 8 с отличающейся от фонового значения скоростью движения по линии 6, можно оценить величиной не менее L/V или числом укладывающихся в этот интервал времени периодов допплеровского смешения частоты, равным 2L/λ В приведенном примере (при L 1 м и λ= 1 cм) число периодов составит не менее 200, что с большим запасом достаточно для обнаружения этого сигнала с требуемыми вероятностями правильного обнаружения и ложной тревоги. Контроль качества слоя (концентрации диполей) осуществляется каналом 18, 19 по переизлучению от всех диполей, попадающих в диаграмму направленности антенны 13.

Функционирование по предложенному способу осуществляется следующим образом (например фиг.2 и 3).

Средства 20 (они могут быть установлены на вынесенном вперед носителе 4) создают на границе контролируемой (исследуемой) зоны слой локального образования 2 местоположения подвижных объектов, внедряющихся в эту зону. Канал 18, 19 осуществляет выделение сигнала 23, переизлученного диполями этого слоя. Если уровень этого сигнала снижается до порогового значения (значит концентрация диполей в слое 2 снизилась до критического значения), блок 19 дает команду средствам 20 на выброс в область 2 очередной порции диполей.

При пересечении этого слоя подвижным объектом 3 (по траектории 6) часть 8 диполей, расположенных в объеме 9 (существенно превышающем объем части слоя 2, пересекаемой телом объекта 3), ускоряется этим объектом в направлениях 11. В результате этого спектр переизлучений зондирующего сигнала ЛС этой частью диполей попадает в полосу пропускания 15 фильтров 14 и блоки 16 (иногда совместно с блоком 17) зарегистрируют превышение порогового уровня и, следовательно, появление, обнаружение подвижного объекта на требуемом удалении, причем вне зависимости от значения собственной ЭПР объекта 3.

Данная локационная система может иметь и канал пеленгации объектов 3 (например, на основе использования моноимпульсных схем).

Для вычисления траекторных параметров упомянутых малозаметных подвижных объектов ставят дополнительный (более близкий к ЛС) слой локального образования, причем, как правило, по команде о факте обнаружения в первом слое-проявителе.

Использование: обнаружение подвижных объектов. Сущность изобретения: при обнаружении подвижных объектов принимают и сравнивают с пороговым значением сигналы из заданной области пространства в присутствии предварительно созданного локального образования с отличающимися от окружающей среды физическими параметрами. Локальное образование формируют в виде фоновой завесы, либо путем распределения в слое окружающей среды веществ и/или дипольных радиоотражателей, имеющих составляющие спектра собственного излучения либо переизлучения, лежащие в полосе приема, а решение об обнаружении объекта принимают по превышению порогового значения скоростью изменения уровня или допплеровской частоты принимаемого сигнала. Воссоздание локального образования осуществляют периодически. Дипольные радиоотражатели имеют протяженную основу, которая хотя бы на части поперечного сечения выполнена электропроводящей. Эта часть дипольного отражателя снабжена наружным радиопрозрачным слоем с малым коэффициентом отражения электромагнитных волн оптического диапазона длин волн. 2 с. и 7 з. п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ обнаружения подвижных объектов, заключающийся в том, что принимают и сравнивают с пороговым значением сигналы из заданной области пространства, отличающийся тем, что принимают сигналы в присутствии предварительно созданного локального образования с отличающимися от окружающей среды физическими параметрами, расположенного в зоне обнаружения объектов. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что локальное образование с отличающимися от окружающей среды параметрами формируют путем создания фоновой области. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что локальное образование с отличающимися от окружающей среды параметрами формируют путем распределения в слое окружающей среды веществ и/или диполей, имеющих составляющие спектра собственного излучения либо переизлучения, лежащие в полосе приема. 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что решение об обнаружении объекта принимают по скорости превышения порогового значения изменения уровня или доплеровской частоты принимаемого сигнала. 5. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что в зоне обнаружения объектов создают дополнительное локальное образование с отличающимися от окружающей среды физическими параметрами, а решение об обнаружении объекта принимают после последовательного обнаружения в присутствии обоих локальных образований. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что дополнительное локальное образование создают по сигналу обнаружения объектов в присутствии предварительно созданного локального образования с отличающимися от окружающей среды физическими параметрами. 7. Способ по пп.1 - 6, отличающийся тем, что поддержание требуемых физических параметров локального образования осуществляют периодически. 8. Способ по пп.1 - 6, отличающийся тем, что поддержание требуемых физических параметров локального образования осуществляют по сигналу, приходящему от невозмущенного обнаруживаемым объектом слоя локального образования. 9. Дипольный радиотражатель, содержащий протяженную основу, хотя бы на части поперечного сечения выполненную электропроводящей, отличающийся тем, что электропроводящая часть поперечного сечения протяженной основы снабжена наружным радиопрозрачным слоем с малым коэффициентом отражения электромагнитных волн оптического диапазона длин волн.