СПОСОБ ИМИТАЦИИ НАЗЕМНОГО ОБЪЕКТА ПРИ РАДИОЛОКАЦИОННОМ НАБЛЮДЕНИИ Российский патент 2007 года по МПК G01S7/40 

Изобретение относится к области противорадиолокационной маскировки наземных объектов от космических и воздушных систем радиолокационной разведки с построением высокодетальных радиолокационных изображений (РЛИ) участков поверхности Земли (УПЗ) путем обеспечения имитации объектов вооружений и военной техники с помощью искусственных отражателей.

Известен способ имитации наземного объекта при радиолокационном наблюдении, заключающийся в расстановке искусственных отражателей (ИО) на местности, в том числе штатных уголковых отражателей (УО) типа «ОМУ», «Сфера-ПР», «Угол», «Пирамида» с различной формой граней для повышения общей эффективной площади рассеяния (ЭПР) участка местности [1]. УО служат для значительного увеличения переотражения падающего радиолокационного сигнала путем ориентации максимума его диаграммы обратного рассеяния в сторону радиолокатора, что приводит к увеличению ЭПР местности. Этот способ, применяемый для противодействия радиолокаторам с низким пространственным разрешением, можно отнести к амплитудным методам маскировки и/или имитации крупных объектов, ЭПР которых соизмерима с ЭПР УО, например, кораблей и крупных подвижных наземных комплексов. Для радиолокаторов с высоким пространственным разрешением, а именно с синтезированной апертурой антенны (РСА), получивших преимущественное развитие и размещаемых на многочисленных воздушных и орбитальных носителях, формируемое РЛИ УПЗ имеет разрешение порядка единиц-долей метров. Поэтому данный способ имитации не учитывает процесс формирования с помощью радиолокатора с высоким пространственным разрешением детального РЛИ объектов, находящихся на УПЗ и обладающих определенными габаритными размерами и эффективной площадью рассеяния.

Известен способ имитации наземного объекта при радиолокационном наблюдении [2], заключающийся в расстановке ИО (штатных УО) на некоторой высоте внутри макета объекта с требуемой формой, размером и цветом, представляющего собой каркас, обтянутый оптически непрозрачным материалом типа маскировочных сетей или подручными средствами. В этом случае отражение радиолокационного сигнала происходит как от ИО, так и от поверхности макета. Хотя для средств оптической разведки этот метод имитации достаточно эффективен, для современных РСА сантиметрового и дециметрового диапазонов радиолокационный сигнал проникает через подобные покрытия. Поэтому данный способ имитации не учитывает процесс формирования с помощью радиолокатора с высоким пространственным разрешением детального РЛИ объектов, находящихся на УПЗ и обладающих определенными габаритными размерами и эффективной площадью рассеяния.

Известен способ имитации наземного объекта при радиолокационном наблюдении, выбранный в качестве прототипа [3] и заключающийся в расстановке на местности двух искусственных отражателей (двух штатных УО «ОМУ») на расстоянии, равном величине максимальной проекции габаритных размеров объекта относительно априорно известного направления радиолокационного наблюдения для создания линейной протяженности отметки объекта на радиолокационном изображении местности с низким разрешением (так называемом радиолокационном профиле местности) (фиг.1). Штатные УО «ОМУ» в прототипе не ориентируются и расставляются последовательно вдоль линии, параллельной предполагаемому маршруту движения имитируемых объектов. Суммарная ЭПР двух УО «ОМУ» даже при произвольной ориентации в санти- и дециметровом диапазоне радиоволн много больше ЭПР имитируемого объекта. Поэтому данный способ имитации не учитывает процесс формирования с помощью радиолокатора с высоким пространственным разрешением детального РЛИ объектов, находящихся на УПЗ и обладающих определенными габаритными размерами и эффективной площадью рассеяния; в частности, не учитывает влияния высоты и ширины имитируемого объекта на форму и ориентацию его детального РЛИ.

Задача изобретения заключается в повышении достоверности имитации наземного объекта при радиолокационном наблюдении воздушными и космическими радиолокаторами с высоким пространственным разрешением путем одновременной имитации эффективной площади рассеяния и формы двумерного дискретного радиолокационного изображения объекта, обладающего определенными габаритными размерами и ориентацией относительно направления радиолокационного наблюдения.

Для решения указанной задачи в предлагаемом способе имитации наземного объекта при радиолокационном наблюдении, учитывающем специфику формирования детального радиолокационного изображения объекта на фоне участка поверхности Земли, при расстановке на местности искусственных отражателей:

на основе априорно известных параметров радиолокационного сигнала и движения радиолокатора оценивают разрешающую способность радиолокационного изображения поверхности Земли, формируемого в двумерной системе координат с центром в антенне радиолокатора и осями «наклонная дальность - продольная дальность», ориентация которых определяется соответственно углами места и азимута направления радиолокационного наблюдения и углом азимута направления полета носителя радиолокатора;

вычисляют величины проекций габаритных размеров имитируемого объекта на соответствующие оси координат радиолокационного изображения с учетом степени преобразования высоты объекта в его длину или в ширину, пропорциональной величине угла места направления радиолокационного наблюдения и ориентации продольной оси объекта относительно угла азимута этого направления;

определяют общее количество искусственных отражателей путем произведения количества искусственных отражателей, расставляемых по длине и по ширине объекта и определяемых на единицу больше целочисленного отношения величины проекции габаритных размеров объекта на соответствующую ось координат и величины разрешающей способности радиолокационного изображения по этой координате;

вычисляют эффективную площадь рассеяния участка поверхности Земли, соответствующую пространственно разрешаемому элементу радиолокационного изображения, путем произведения разрешающих способностей радиолокационного изображения и удельной эффективной площади рассеяния поверхности размещения объекта;

вычисляют эффективную площадь рассеяния одиночного искусственного отражателя путем отношения эффективной площади рассеяния имитируемого объекта к общему количеству искусственных отражателей за вычетом эффективной площади рассеяния незатененного искусственным отражателем участка поверхности Земли, соответствующего пространственно разрешаемому элементу радиолокационного изображения;

расставляют искусственные отражатели на участке поверхности Земли с ориентацией максимума диаграммы обратного рассеяния на направление радиолокационного наблюдения вдоль продольной оси имитируемого объекта с шагом, определяемым отношением величины проекций длины и высоты объекта на ось системы координат радиолокационного изображения и количества искусственных отражателей, расставляемых по длине объекта, и поперек продольной оси объекта с шагом, определяемым отношением величины проекций ширины и высоты объекта на ось системы координат радиолокационного изображения и количества искусственных отражателей, расставляемых по ширине объекта.

При формировании РЛИ УПЗ с помощью радиолокатора с высоким пространственным разрешением наземные объекты отображаются на них не в виде ярких точечных отметок, а в виде групп элементов (пикселов) РЛИ с повышенной яркостью относительно пикселов, соответствующих участку окружающей местности (фона) (фиг.2). Яркость пиксела РЛИ фона наряду с параметрами амплитудно-цифрового преобразования и синтеза (весовой цифровой когерентной обработки сигналов) пропорциональна его удельной ЭПР (УЭПР) при соответствующей частоте, угле падения и поляризации зондирующего сигнала и площади участка местности, соответствующей пикселу. УЭПР ПЗ для размещения наземных объектов - степь с травяным или снежным покровом, пустыня, взлетно-посадочная полоса - имеет типовые значения 20-40 дБ [4] и при высокой разрешающей способности РЛИ ЭПР пиксела фона не будет превышать долей-единиц м². Причиной увеличения яркости пикселов РЛИ объекта является высокая проводимость металлической поверхности и совокупность типичных «уголковых» конструкций, образуемых как элементами объекта, так и системой «вертикальный объект-горизонтальная ПЗ». ЭПР типовых наземных объектов составляет десятки-сотни м² [4] и будет определяться суммой ЭПР группы пикселов РЛИ объекта, не превышающих единиц-десятков м², т.е. значительно больше ЭПР фона. Таким образом, объект на высокодетальном РЛИ является площадным, конкретная форма и размер которого определяется его ориентацией относительно направления облучения, т.е. демаскирующими признаками объекта на высокодетальном РЛИ являются уже не амплитудные (его ЭПР), а геометрические размеры - количество пикселов его РЛИ и ориентация их группы. На практике для распознавания РЛИ объекта с вероятностью 0.9 необходим такой уровень разрешения на местности, чтобы по линейному размеру распознаваемого объекта укладывалось 12-14 пикселов РЛИ.

Размещение УО - точечной цели с большой ЭПР - в элементе разрешения УПЗ из-за особенностей построения РЛИ в РСА может приводить к появлению серии отметок боковых лепестков функции неопределенности (отклика) РСА по азимуту и дальности в форме «креста». Поэтому способы имитации наземных объектов путем подобной расстановки штатных УО, обладающих большой ЭПР, при их наблюдении высокоразрешающими РСА являются по существу демаскирующими (фиг.3).

Преобразование трехмерного объекта в его двумерное дискретное РЛИ происходит в системе координат "наклонная дальность - продольная дальность" (или, как традиционно называют в литературе, «азимут»); соответственно оси направлены от антенны РСА к объекту и по направлению полета носителя РСА при боковом радиолокационном обзоре. Поскольку дальности радиолокационного наблюдения намного превышают размеры объектов, на практике полагают, что фронты падающей/отраженной радиоволны плоские и при дискретизации отраженного сигнала при амплитудно-цифровом преобразовании (АЦП) параллельны друг другу. Для объекта с высотой Н и шириной D/длиной L, образующих линейную протяженность объекта по наклонной дальности ΔR_H, это означает, что в амплитуду АЦП-отсчета (1, 2, 3 на фиг.4а) входят составляющие отражений как от фона (горизонтальной ПЗ), так и от видимых частей объекта. При наличии достаточно гладких ("нешероховатых" в радиолокационном смысле) поверхностей фона и боковых структур объектов может происходить зеркальное отражение с соответствующим усилением, так же как и в штатных УО. Следствиями такого формирования РЛИ является "падение" РЛИ высоких объектов по направлению к РСА (эффект радиолокационного наложения) и увеличенная яркость пикселов РЛИ объекта со стороны наблюдения, при больших углах места УМ направления на РСА эти эффекты усиливаются без образования радиолокационных теней. Если расставить ИО по горизонтальной дальности на расстоянии Δ_Г=Δ_H/cosУМ, пропорциональном разрешающей способности РСА по наклонной дальности Δ_H (или, аналогично, ширине спектра радиолокационного сигнала Δf_c: Δ_H=с/2Δf_c, где с - скорость света) и углу места УМ, то на РЛИ будет образовываться группа пикселов с увеличенной яркостью (фиг.4б). Яркость таких пикселов РЛИ будет пропорциональна ЭПР ИО и дополнительно ЭПР УПЗ, если не происходит его затенения из-за малого размера ИО. В качестве ИО возможно использовать сферы, пластины, отрезки линейных структур, диполи (полуволновые вибраторы) и т.п., размеры и ЭПР которых определяются длиной волны радиолокационного сигнала РСА. Другие параметры сигнала - частота повторения импульсов и ширина спектра - определяют пространственную разрешающую способность РСА и, следовательно, площадь разрешаемого УПЗ и его ЭПР.

Общее количество ИО, необходимых для имитации РЛИ объекта, будет определяться требуемой ориентацией (ракурсом) объекта и его габаритными размерами (длина L, ширина D, высота Н), которые обуславливают его соответствующую ЭПР σ_ц (фиг.5), для известной пространственной разрешающей способности радиолокатора. Соотношение длины и ширины объекта определяет его вытянутость и описывается углом АЗ_пред=arctg(D/L). Ракурс объекта относительно направления радиолокационного наблюдения описывается углом азимута АЗ между продольной осью объекта и азимутальным направлением радиолокационного наблюдения (осью R_Г), который определяет проекции длины L_пр и ширины D_пр имитируемого объекта на оси системы координат РЛИ с учетом пересчета (степени преобразования) высоты Н в длину или в ширину через угол места УМ направления радиолокационного наблюдения:

Указанные проекции габаритных размеров и разрешающая способность РСА по горизонтальной дальности Δ_Г=Δ_H/cosУМ и по азимуту Δ_АЗ, зависящей от частоты повторения импульсов и скорости движения носителя, определяют необходимое количество ИО для имитации РЛИ объекта:

N_L=int{L'/Δ_L}+1 при 0°<АЗ<АЗ_пред Δ_L=Δ_Г,

L'=L_пр·cosАЗ,

при АЗ_пред<АЗ<90° Δ_L=Δ_АЗ,

L'=L_пр·sinАЗ,

N_D=int{D'/Δ_D}+1 при 0°<АЗ<АЗ_пред Δ_D=Δ_АЗ,

D'=D_пр·sinАЗ,

при АЗ_пред<АЗ<90° Δ_D=Δ_Г,

D'=D_пр·cosАЗ,

где int{·} означает операцию взятия целого числа.

ЭПР одиночного ИО определяется как отношение ЭПР объекта к общему количеству ИО за вычетом ЭПР фона УПЗ, соответствующего пространственно разрешаемому элементу РЛИ σ_ИО=σ_Ц/(N_L·N_D)-Δ_Г·Δ_АЗ·σ₀, где σ₀ - удельная ЭПР фона в случае малых размеров ИО по сравнению с УПЗ; в случае полного затенения УПЗ (закрытия от радиолокационного облучения) размерами ИО Δ_Г·Δ_АЗ·σ₀=0.

В силу ограничения наведения антенн воздушных и космических РСА по углу крена в направлении, перпендикулярном трассе полета, типовые значения углов места направления радиолокационного наблюдения находятся в пределах 15-75°; углы азимута для космических РСА также ограничены высотой и наклонением орбиты при известной широте объекта, для воздушных РСА можно указать наиболее опасные азимутальные направления радиолокационного наблюдения (полеты самолетов и беспилотных летательных аппаратов происходят, как правило, вдоль линии боевого соприкосновения войск). Таким образом, угловые направления радиолокационного наблюдения носят ограниченный характер - обзор производится в априорно известных угловых секторах, поэтому целесообразно использовать ИО со слабонаправленной диаграммой обратного рассеяния для сохранения уровня отражения (превышения яркости пикселов РЛИ) при их неизменной расстановке и ориентации на местности.

Расстановка ИО на местности производится следующим образом: вдоль продольной оси имитируемого объекта выставляются ИО с шагом, определяемым отношением проекции длины объекта к количеству ИО, dL=L_пр/N_L, затем от каждого из расставленных ИО в направлении, перпендикулярном продольной оси, выставляются ИО с шагом, определяемым отношением проекции ширины объекта к количеству ИО, dD=D_пр/N_D; все ИО ориентируются максимумом диаграммы обратного рассеяния в предполагаемом направлении радиолокационного наблюдения.

К существенным отличиям предлагаемого способа относятся:

1. Оценивание на основе априорно известных параметров радиолокационного сигнала и движения радиолокатора разрешающей способности радиолокационного изображения, формируемого в двумерной системе координат «наклонная дальность - продольная дальность» с центром в антенне радиолокатора и осями, ориентация которых определяется соответственно углами места и азимута направления радиолокационного наблюдения и углом азимута направления полета носителя радиолокатора - для определения детальности радиолокационного изображения и отнесения имитируемого объекта к классу точечных (сосредоточенных) или площадных (распределенных) объектов.

2. Вычисление величины проекций габаритных размеров объекта на соответствующие оси координат радиолокационного изображения с учетом степени преобразования высоты объекта в его длину или в ширину на основе величины угла места направления радиолокационного наблюдения и ориентации продольной оси объекта относительно угла азимута этого направления - для предварительного определения размеров радиолокационного изображения в линейной мере.

3. Определение общего количества искусственных отражателей в виде произведения количества искусственных отражателей, расставляемых по длине и по ширине объекта и определяемых на единицу больше целочисленного отношения величины проекции габаритных размеров объекта на соответствующую ось координат и величины разрешающей способности радиолокационного изображения по этой координате - для предварительного определения размеров радиолокационного изображения в мере количества элементов радиолокационного изображения.

4. Вычисление эффективной площади рассеяния участка поверхности Земли, соответствующей пространственно разрешаемому элементу радиолокационного изображения, в виде произведения разрешающих способностей радиолокационного изображения и удельной эффективной площади рассеяния поверхности размещения объекта - для определения яркости элемента радиолокационного изображения, соответствующего участку поверхности размещения объекта (фону).

5. Вычисление эффективной площади рассеяния одиночного искусственного отражателя в виде отношения эффективной площади рассеяния имитируемого объекта к общему количеству искусственных отражателей за вычетом эффективной площади рассеяния незатененного искусственным отражателем участка поверхности Земли, соответствующего пространственно разрешаемому элементу радиолокационного изображения - для определения яркости элемента радиолокационного изображения, соответствующего объекту.

6. Расстановка искусственных отражателей на участке местности с ориентацией максимума диаграммы обратного рассеяния на направление радиолокационного наблюдения вдоль продольной оси объекта с шагом, определяемым отношением величины проекций длины и высоты объекта на ось системы координат радиолокационного изображения и количества искусственных отражателей, расставляемых по длине объекта, и поперек продольной оси объекта с шагом, определяемым отношением величины проекций ширины и высоты объекта на ось системы координат радиолокационного изображения и количества искусственных отражателей, расставляемых по ширине объекта - для формирования непрерывной совокупности элементов радиолокационного изображения объекта требуемой формы и размера.

Реализация предлагаемого способа для имитации типового объекта вооружения с габаритными размерами L=15 м, D=3.5 м, Н=4 м, ЭПР σ_Ц=50 м² и ракурсом АЗ=60° на фоне травяного покрова σ₀=0.035 (-15 дБ) при радиолокационном наблюдении с помощью КРСА Radarsat-2 (длина волны λ=5.6 см, поляризация горизонтальная, ширина спектра сигнала Δf_c=100 МГц, разрешающая способность по продольной дальности Δ_АЗ=3 м и наклонной дальности Δ_Н=1.5 м, угол места направления радиолокационного наблюдения УМ=60°, разрешающая способность по горизонтальной дальности Δ_Г=3 м) показывает следующие результаты (фиг.6). Вытянутость объекта характеризуется углом АЗ_пред=13°, т.е меньше угла АЗ ориентации объекта по азимуту относительно направления радиолокационного наблюдения. Проекции габаритных размеров объекта на оси координат формируемого РЛИ L_пр=15 м и D_пр=10.4 м, т.е высота объекта пересчитывается в ширину при данной ориентации объекта относительно направления радиолокационного наблюдения. Количество ИО, расставляемых по длине и по ширине объекта, N_L=int{13/3}+1=5 и N_D=int{5.2/3}+1=2, т.е. общее количество ИО 10 шт. Шаг расстановки ИО по длине dL=3 м, по ширине dD=5.2 м. ЭПР одиночного ИО σ_ИО=5 м². В качестве ИО можно использовать квадратные металлические пластины с длиной ребра а=20 см, ЭПР которой рассчитывается по зависимости . Ориентация нормали пластины должна совпадать с направлением радиолокационного наблюдения. Ширина диаграммы обратного рассеяния составляет до десятка градусов [5], поэтому при небольшом изменении направления радиолокационного наблюдения расстановку и ориентацию ИО можно оставить без изменений.

Источники информации

1. Степанов Ю.Г. Противорадиолокационная маскировка. - М.: Советское радио, 1968. - стр.113.

2. Палий А.И. Радиоэлектронная борьба. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Воениздат, 1989, с.138-139.

3. Андрющенко В.А., Пирожков П.А. Военно-инженерная подготовка / Учебно-методическое пособие. - Тамбов, Издательство ТГТУ, 2004. - стр.23-26.

4. Кондратенков Г.С., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. Учебное пособие для вузов. - М.: Радиотехеника, 2005. - стр.75.

5. Справочник по радиолокации: Пер. с англ. / Под ред. М.Сколника. - М.: Советское радио, 1978, в 4-х томах. - т.1, с.385.

Изобретение относится к области противорадиолокационной маскировки наземных объектов от космических и воздушных систем радиолокационной разведки. Достигаемым техническим результатом является повышение достоверности имитации наземного объекта, который обеспечивается за счет оценки разрешающей способности радиолокационного изображения поверхности Земли, вычисления величины проекций габаритных размеров имитируемого объекта, определения общего количества искусственных отражателей, вычисления эффективной площади рассеяния одиночного искусственного отражателя путем отношения эффективной площади рассеяния имитируемого объекта к общему количеству искусственных отражателей за вычетом эффективной площади рассеяния незатененного искусственным отражателем участка поверхности Земли, размещения искусственных отражателей на участке поверхности Земли с ориентацией максимума диаграммы обратного рассеяния на направление радиолокационного наблюдения вдоль продольной оси имитируемого объекта. 6 ил.

Способ имитации наземного объекта при радиолокационном наблюдении, заключающийся в расстановке на местности искусственных отражателей, отличающийся тем, что на основе априорно известных параметров радиолокационного сигнала и движения радиолокатора оценивают разрешающую способность радиолокационного изображения поверхности Земли, формируемого в двумерной системе координат с центром в антенне радиолокатора и осями «наклонная дальность - продольная дальность», ориентация которых определяется соответственно углами места и азимута направления радиолокационного наблюдения и углом азимута направления полета носителя радиолокатора, вычисляют величины проекций габаритных размеров имитируемого объекта на соответствующие оси координат радиолокационного изображения с учетом степени преобразования высоты объекта в его длину или в ширину, пропорциональной величине угла места направления радиолокационного наблюдения и ориентации продольной оси объекта относительно угла азимута этого направления, определяют общее количество искусственных отражателей путем произведения количества искусственных отражателей, расставляемых по длине и ширине объекта и определяемых на единицу больше целочисленного отношения величины проекции габаритных размеров объекта на соответствующую ось координат и величины разрешающей способности радиолокационного изображения по этой координате, вычисляют эффективную площадь рассеяния участка поверхности Земли, соответствующую пространственно разрешаемому элементу радиолокационного изображения, путем произведения разрешающих способностей радиолокационного изображения и удельной эффективной площади рассеяния поверхности размещения объекта, вычисляют эффективную площадь рассеяния одиночного искусственного отражателя путем отношения эффективной площади рассеяния имитируемого объекта к общему количеству искусственных отражателей за вычетом эффективной площади рассеяния незатененного искусственным отражателем участка поверхности Земли, соответствующего пространственно разрешаемому элементу радиолокационного изображения, расставляют искусственные отражатели на участке поверхности Земли с ориентацией максимума диаграммы обратного рассеяния на направление радиолокационного наблюдения вдоль продольной оси имитируемого объекта с шагом, определяемым отношением величины проекций длины и высоты объекта на ось системы координат радиолокационного изображения и количества искусственных отражателей, расставляемых по длине объекта, и поперек продольной оси объекта с шагом, определяемым отношением величины проекций ширины и высоты объекта на ось системы координат радиолокационного изображения и количества искусственных отражателей, расставляемых по ширине объекта.