СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ СВЕРХЗВУКОВОГО НИЗКОЛЕТЯЩЕГО ОБЪЕКТА ПО СЛЕДУ НА МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ Российский патент 2012 года по МПК G01S13/06 

Изобретение относится к области радиолокации, в частности к обнаружению, определению координат и сопровождению малозаметного низколетящего над морской поверхностью (МП) со сверхзвуковой скоростью объекта.

Изобретение позволяет сопровождать даже полностью невидимые летящие вблизи морской поверхности объекты при скорости объекта, приводящей к образованию ударных волн в окружающем пространстве. На момент обнаружения предполагается равномерное прямолинейное перемещение объекта над МП без изменения высоты полета, со скоростью, превышающей 1,2 числа Маха.

Способ может быть осуществлен расположенным на судне (летательном аппарате) автономным радиолокатором в пределах радиогоризонта, а также с применением многопозиционной радиолокации.

В прототипе [1] предложен способ определения координат сверхзвукового низколетящего объекта по следу на морской поверхности. Предложение строится на создании за объектом возмущения воздушного пространства (псевдозвуковой волны). В [1] предполагается, что при угле падения звуковой волны на МП более 12,7° звуковая волна отражается от границы сред (водной поверхности), в результате чего передача энергии значительно уменьшается. Однако энергия воздействия звуковой волны меньше энергии ударной волны. Следовательно, необходимое для образования радиолокационного контраста уменьшение высоты волн ряби морской поверхности в большей степени зависит от воздействия ударной волны, образованной пролетом над морской поверхностью объекта. Импульс давления (ударная волна) воздействует на рябь вне зависимости от угла падения, следовательно, нет надобности в измерении среднего уклона крупных волн.

Аналогом предложенного изобретения можно назвать способ [2], в котором измерение ширины следа производится на этапе его расширения. Это обстоятельство ограничивает применимость способа, так как требует очень высокую разрешающую способность радиолокатора. В способе [2] скорость перемещения воздействующей силы, образующей аномалию морской поверхности, соответствует скорости звука, которая меньше скорости ударной волны. Значительная ошибка в скорости воздействующей силы снижает точность измерения параметров движения объекта.

Способ определения координат объекта основан на наличии за объектом следа - протяженной аномалии МП, имеющей радиолокационный контраст относительно остальной МП.

Для осуществления способа требуется наличие «портретов» (базы данных классификационных признаков) известных сверхзвуковых низколетящих объектов: таблицы с данными величин интенсивностей ударных волн, скоростей ударных волн и расстояний от оси движения объекта до границы образованного ударной волной следа. Объектам, имеющим идентичный планер, двигатель и скорость, будет соответствовать одинаковый «портрет». Входными данными «портрета» являются различные классификационные признаки объекта, в том числе скорость движения объекта. Выводными данными «портрета» являются интенсивность и скорость ударной волны объекта.

При обнаружении следа по радиолокационной отметке фронта следа определяются дальность до фронта следа Д_фр и пеленг на фронт следа П_фр. Фронт следа перемещается с такой же скоростью, что и объект. По перемещению радиолокационной отметки фронта следа определяется скорость движения объекта.

Курс движения объекта К_об определяется по пространственной ориентации следа, а не по направлению перемещения фронта следа, что повышает точность определения курса при использовании радиолокатора кругового обзора.

По пеленгу на фронт следа П_фр и курсу объекта К_об определяется курсовой угол с фронта следа на радиолокатор - β_фр:

Курсовой угол с фронта следа на радиолокатор вычисляется в случае, если пеленг с радиолокатора на фронт следа больше курса объекта, как модуль разности, где уменьшаемое - пеленг с радиолокатора на фронт следа, вычитаемое - сумма курса фронта следа и 180 градусов, а в противном случае как модуль разности, где уменьшаемое - сумма пеленга с радиолокатора на фронт следа и 180 градусов, вычитаемое - курс фронта следа.

При радиолокационном зондировании МП методом стробирования снимаются значения измеренной ширины следа В_изм, потом значения усредняются, и рассчитывается значение ширины следа В_расч:

где - усредненная измеренная ширина следа.

Объект будет находиться относительно фронта следа в направлении перемещения фронта впереди на расстоянии Х (см. фиг.1):

где h - высота полета объекта;

V_об - скорость объекта;

ν_ув - скорость ударной волны, образованной объектом;

ΔХ_фр - расстояние между объектом и фронтом следа, образованное инерцией реакции МП на воздействие ударной волны:

ΔX_фр=Δt_фр·V_об,

Δt_фр - время реакции МП на воздействие импульса давления (ударной волны) можно оценить примерно двумя периодами ряби:

где l_р - радиус пространственной корреляции мелкоструктурных ветровых волн (ряби), для которых выполняется условие резонансного рассеяния электромагнитных волн длиной λ под углом скольжения ψ (условие Брегга):

;

V_вр - скорость распространения ряби на морской поверхности (то есть свободных поверхностных волн на глубокой воде) [3, с.155]:

где g - ускорение свободного падения, g≈9,8 м/с;

Λ - длина поверхностно-капиллярной волны (ряби), Λ≈2·l_р [4];

z - нормированный на давление коэффициент поверхностного натяжения на границе сред воды и воздуха, z≈7·10^-5 м³/с².

Учет времени реакции МП на воздействие ударной волны приводит к преобразованию формулы расчета Х к виду:

При рассмотрении процесса образования аномалии МП с точки зрения интересов радиолокационного зондирования МП граница аномалии определяется границей радиолокационного контраста аномалии.

Радиолокационный контраст аномалии образуется за счет «контраста зон со сглаженным волнением по отношению к фону» [5, с.212]:

где h_ф и h_с - высоты волн ряби у фона и аномалии соответственно.

Уменьшение высоты волн ряби вызвано воздействием ударной волны от сверхзвукового низколетящего объекта. Величина изменения высоты волн ряби Δh_с=h_ф-h_с зависит от интенсивности ударной волны.

При условии конического распространение фронта ударной волны [6] основные потери интенсивности приходятся на расширение фронта волны:

где I_к - интенсивность ударной волны при коническом распространении;

I_пл - интенсивность ударной волны в случае плоской волны;

R_к - радиус основания конуса;

h_к - высота конуса.

Существует расстояние R_к, при котором I_к будет недостаточно для образования контраста, необходимого для различения аномалии. Следовательно, расстояние R (см. фиг.2) - это радиус основания конуса R_к, соответствующий минимальному значению интенсивности ударной волны I_а, достигшей морской поверхности и вызвавшей различимую радиолокатором аномалию. Заменим пространственные величины конуса на пространственные параметры образования аномалии (см. фигуры 2, 3):

где I_об - интенсивность ударной волны, формируемой объектом, приведенная к оси движения объекта (пересчитанная из данных замеров интенсивности ударной волны реального объекта в данные при условии точечного излучателя);

L - расстояние от фронта аэродинамической аномалии на морской поверхности до границы прекращения ее расширения:

«Ударная волна распространяется по невозмущенному веществу со сверхзвуковой скоростью тем большей, чем больше интенсивность ударной волны» [6, с.778]. По этому, скорость распространения ударной волны будет зависеть от расстояния между осью движения объекта и границей следа на МП - R (см. фиг.2).

Расстояния от оси движения объекта до границы образованного ударной волной следа рассчитывается по техническим параметрам полета объекта:

Ширина аномалии после прекращения расширения (максимально возможная ширина) вычисляется по теореме Пифагора из треугольника (см. фиг.2):

Следовательно,

Проекция на морскую поверхность расстояния от объекта до фронта следа рассчитывается как произведение скорости полета объекта и суммы квадратных корней, первый квадратный корень - разность, где уменьшаемое отношение минимального значения интенсивности ударной волны, достигшей морской поверхности и вызвавшей различимую радиолокатором аномалию, к произведению числа π, интенсивности ударной волны объекта, скорости ударной волны и корня квадратного из суммы квадратов скорости ударной волны и скорости полета объекта, а вычитаемое - это отношение квадрата произведения усредненной измеренной ширины следа и косинуса курсового угла с фронта следа на радиолокатор к произведению числа 4 и квадрата скорости ударной волны, второй квадратный корень - отношение произведения числа 2, корня квадратного из числа 2 и длины электромагнитной волны в третьей степени к сумме, где первое слагаемое - это произведение квадрата длины электромагнитной волны, ускорения свободного падения и косинуса угла скольжения электромагнитных волн, а второе слагаемое - это удвоенное произведение числа π в четвертой степени, нормированного на давление коэффициента поверхностного натяжения на границе сред воды и воздуха, а также косинуса угла скольжения в третьей степени.

Решение задачи расчета координат объекта является решением геометрической задачи, представленной на фигуре 1. По теореме косинусов из треугольника со сторонами Д_об, Д_фр, Х дальность до объекта:

.

Дальность до объекта вычисляется как корень квадратный из суммы трех слагаемых, первое слагаемое - квадрат дальности до фронта следа, второе слагаемое - отрицательное удвоенное произведение дальности до фронта следа, расстояния от объекта до фронта следа, косинуса курсового угла с фронта следа на радиолокатор, третье слагаемое - квадрат расстояния от объекта до фронта следа.

По теореме синусов из треугольника со сторонами Д_об, Д_фр, Х разница пеленгов на фронт следа и на объект:

Из уравнения свойств углов:

β_об=β_фр+θ.

Тогда курсовой угол на радиолокатор относительно объекта выражается через уже известные величины:

Пеленг на объект вычисляется как сумма (в случае, при превышении пеленга на фронт следа над курсом объекта, отрицательного значения разности, где уменьшаемое - пеленг на фронт следа, вычитаемое - сумма курса объекта и 180 градусов, или в случае, при превышении курса объекта над пеленгом на фронт следа, отрицательного значения разности, где уменьшаемое - сумма пеленга на фронт следа и 180 градусов, вычитаемое - курс объекта, пеленг на объект вычисляется как разность) пеленга на фронт следа и арксинуса отношения, где числитель - произведение расстояния от объекта до фронта следа и синуса курсового угла с фронта следа на радиолокатор, знаменатель - дальность до объекта:

Краткое описание чертежей:

Фиг.1 - схема взаимного расположения радиолокатора, объекта и следа: вид сверху на морскую поверхность.

Фиг.2 - схема взаимного расположения объекта и следа: вид с лобового ракурса на объект.

Фиг.3 - схема взаимного расположения объекта и следа: вид сверху на морскую поверхность. Пространственные параметры аномалии.

Осуществление

Для осуществления способа требуется наличие «портретов» (базы данных классификационных признаков) известных сверхзвуковых низколетящих объектов: таблицы с данными величин интенсивностей ударных волн, скоростей ударных волн и расстояний от оси движения объекта до границы образованного ударной волной следа. Объектам, имеющим идентичный планер, двигатель и скорость, будет соответствовать одинаковый «портрет». Входными данными «портрета» являются различные классификационные признаки объекта, в том числе скорость движения объекта. Выводными данными «портрета» являются интенсивность и скорость ударной волны объекта.

После обнаружения радиолокатором следа объекта определяются дальность до фронта следа Д_фр и пеленг на фронт следа П_фр, по местоположению фронта следа и пространственной ориентации следа определяется направление движения (курс) объекта К_об. По пеленгу на фронт следа П_фр и курсу объекта К_об определяется курсовой угол с фронта следа на радиолокатор - β_фр:

Курсовой угол с фронта следа на радиолокатор вычисляется в случае, если пеленг с радиолокатора на фронт следа больше курса объекта, как модуль разности, где уменьшаемое - пеленг с радиолокатора на фронт следа, вычитаемое - сумма курса фронта следа и 180 градусов, а в противном случае как модуль разности, где уменьшаемое - сумма пеленга с радиолокатора на фронт следа и 180 градусов, вычитаемое - курс фронта следа.

Из данных радиолокационного зондирования МП методом стробирования снимаются значения измеренной ширины следа В_изм, потом значения усредняются.

По перемещению радиолокационной отметки фронта следа определяется скорость движения объекта.

По скорости движения объекта и другим классификационным признакам производится классификация объекта. Из таблицы выбирается интенсивность и скорость ударной волны, соответствующие классификации объекта.

По известной длине электромагнитной волны λ излучаемой радиолокатором и углу скольжения ψ при облучении МП радиолокатором определяется I_a - минимальное значение интенсивности ударной волны, достигшей морской поверхности и вызвавшей различимую радиолокатором аномалию.

По известной длине электромагнитной волны λ и углу скольжения Ψ, выбранной по классификации интенсивности I_об и скорости ударной волны ν_ув, рассчитанной интенсивности I_a, измеренной скорости объекта V_об и ширине следа вычисляется расстояние X:

Проекция на морскую поверхность расстояния от объекта до фронта следа рассчитывается как произведение скорости полета объекта и суммы квадратных корней, первый квадратный корень - разность, где уменьшаемое отношение минимального значения интенсивности ударной волны, достигшей морской поверхности и вызвавшей различимую радиолокатором аномалию, к произведению числа π, интенсивности ударной волны объекта, скорости ударной волны и корня квадратного из суммы квадратов скорости ударной волны и скорости полета объекта, а вычитаемое - это отношение квадрата произведения усредненной измеренной ширины следа и косинуса курсового угла с фронта следа на радиолокатор к произведению числа 4 и квадрата скорости ударной волны, второй квадратный корень - отношение произведения числа 2, корня квадратного из числа 2 и длины электромагнитной волны в третьей степени к сумме, где первое слагаемое - это произведение квадрата длины электромагнитной волны, ускорения свободного падения и косинуса угла скольжения электромагнитных волн, а второе слагаемое - это удвоенное произведение числа π в четвертой степени, нормированного на давление коэффициента поверхностного натяжения на границе сред воды и воздуха, а также косинуса угла скольжения в третьей степени.

Дальность до объекта вычисляется по формуле:

.

Дальность до объекта вычисляется как корень квадратный из суммы трех слагаемых, первое слагаемое - квадрат дальности до фронта следа, второе слагаемое - отрицательное удвоенное произведение дальности до фронта следа, расстояния от объекта до фронта следа, косинуса курсового угла с фронта следа на радиолокатор, третье слагаемое - квадрат расстояния от объекта до фронта следа.

Пеленг на объект вычисляется как сумма (в случае, при превышении пеленга на фронт следа над курсом объекта, отрицательного значения разности, где уменьшаемое - пеленг на фронт следа, вычитаемое - сумма курса объекта и 180 градусов, или в случае, при превышении курса объекта над пеленгом на фронт следа, отрицательного значения разности, где уменьшаемое - сумма пеленга на фронт следа и 180 градусов, вычитаемое - курс объекта, пеленг на объект вычисляется как разность) пеленга на фронт следа и арксинуса отношения, где числитель - произведение расстояния от объекта до фронта следа и синуса курсового угла с фронта следа на радиолокатор, знаменатель - дальность до объекта:

Источники информации

1. Джигимон А.Н., Стабровский В.Н., Худзик ТА. Способ определения координат сверхзвукового низколетящего объекта по следу на морской поверхности. // Патент на изобретение №2419105. Заявка №2009133863 от 09.09.09 г. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 20.05.11 г. Опубликовано в бюллетене №14 от 20.05.11 г.

2. Джигимон А.Н., Стабровский В.Н., Худзик Т.А. Способ определения местоположения и параметров движения низколетящего над водной поверхностью со сверхзвуковой скоростью объекта по следу на водной поверхности. // Патент на изобретение №2388012. Заявка №2009103218 от 30.01.09 г. Зарегистрировано в Государственном реестре изобретений РФ 27.04.10 г. Опубликовано в бюллетене №12 от 27.04.10 г.

3. Океанология. Физика океана. Том 2. Гидродинамика океана. - М.: Наука, 1978. - 456 с.

4. Стокер Дж. Дж. Волне на воде. Математическая теория и приложения. / Пер. с англ. /Под ред. Лаврентьева М.А. и Моисеева Н.Н. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1959. - 620 с.

5. Ушаков И.Е., Шишкин И.Ф. Радиолокационное зондирование морской поверхности. - М.: РИЦ «Татьянин день», 1997. - 264 с.: ил.

6. Физический энциклопедический словарь. / Гл. ред. A.M.Прохоров. Ред. кол. Д.М.Алексеев, A.M.Бонч-Бруевич, А.С.Боровик-Романов и др. - М.: Сов. энциклопедия, 1984. - 944 с., ил., 2 л. цв. ил.

Изобретение относится к области радиолокационного приборостроения и может быть использовано при обнаружении и сопровождении сверхзвуковых низколетящих над морской поверхностью объектов. Технический результат - повышение точности. Для достижения данного результата после обнаружения следа объекта на морской поверхности радиолокационным способом определяются дальность до фронта следа и пеленг на фронт следа, производится измерение ширины следа способом радиолокационного стробирования по дальности. Курс движения объекта определяется пространственной ориентацией следа. Скорость объекта определяется по перемещению фронта следа. По классификационным признакам объекта определяется интенсивность и скорость ударной волны объекта. При известной длине излучаемой радиолокатором электромагнитной волны и углу скольжения при облучении морской поверхности радиолокатором по полученным параметрам определяют дальность до объекта и его пеленг. 3 ил.

Способ определения координат сверхзвукового низколетящего над морской поверхностью (МП) объекта по радиолокационно наблюдаемому следу на МП, способный осуществляться как при наличии, так и при отсутствии радиолокационного отражения от самого объекта; производимый по аномалии морской поверхности (АМП), скорость перемещения фронта и другие признаки которой позволяют классифицировать ее как след низколетящего над МП объекта; осуществляемый расположенным на судне или летательном аппарате автономным радиолокатором в пределах радиогоризонта; в котором после обнаружения следа (АМП) радиолокационным способом определяются дальность до фронта следа и пеленг на фронт следа, производится измерение ширины следа способом радиолокационного стробирования по дальности; скорость движения объекта определяется по перемещению радиолокационной отметки фронта следа; курс движения объекта определяется пространственной ориентацией следа; курсовой угол с фронта следа на радиолокатор вычисляется в случае, если пеленг с радиолокатора на фронт следа больше курса объекта, как модуль разности, где уменьшаемое - пеленг с радиолокатора на фронт следа, вычитаемое - сумма курса фронта следа и 180°, а в противном случае как модуль разности, где уменьшаемое - сумма пеленга с радиолокатора на фронт следа и 180°, вычитаемое - курс фронта следа; отличающийся тем, что для определения интенсивности и скорости ударной волны объекта используется база данных классификационных признаков существующих сверхзвуковых низколетящих объектов; по скорости движения объекта и другим классификационным признакам производится классификация объекта и выбор из базы данных интенсивности и скорости ударной волны объекта; по известной длине излучаемой радиолокатором электромагнитной волны и углу скольжения при облучении морской поверхности радиолокатором определяется минимальное значение интенсивности ударной волны, достигшей морской поверхности и вызвавшей различимую радиолокатором аномалию; расстояние от объекта до фронта следа рассчитывается как произведение скорости полета объекта и суммы квадратных корней, первый квадратный корень - разность, где уменьшаемое отношение минимального значения интенсивности ударной волны, достигшей морской поверхности и вызвавшей различимую радиолокатором аномалию, к произведению числа пи, интенсивности ударной волны объекта, скорости ударной волны и корня квадратного из суммы квадратов скорости ударной волны и скорости полета объекта, а вычитаемое отношение квадрата ширины следа к произведению числа 4 и квадрата скорости ударной волны, второй квадратных корень - отношение произведения числа 2, корня квадратного из числа 2 и длины электромагнитной волны в третьей степени к сумме, где первое слагаемое это произведение квадрата длины электромагнитной волны, ускорения свободного падения и косинуса угла скольжения электромагнитных волн, а второе слагаемое это удвоенное произведение числа пи в четвертой степени, нормированного на давление коэффициента поверхностного натяжения на границе сред воды и воздуха, а также косинуса угла скольжения в третьей степени; дальность до объекта вычисляется как корень квадратный из суммы трех слагаемых, первое слагаемое - квадрат дальности до фронта следа, второе слагаемое - отрицательное удвоенное произведение дальности до фронта следа, расстояния от объекта до фронта следа, косинуса курсового угла с фронта следа на радиолокатор, третье слагаемое - квадрат расстояния от объекта до фронта следа; пеленг на объект вычисляется как сумма (в случае, при превышении пеленга на фронт следа над курсом объекта, отрицательного значения разности, где уменьшаемое - пеленг на фронт следа, вычитаемое - сумма курса объекта и 180°, или в случае при превышении курса объекта над пеленгом на фронт следа отрицательного значения разности, где уменьшаемое - сумма пеленга на фронт следа и 180°, вычитаемое - курс объекта, пеленг на объект вычисляется как разность) пеленга на фронт следа и арксинуса отношения, где числитель - произведение расстояния от объекта до фронта следа и синуса курсового угла с фронта следа на радиолокатор, знаменатель - дальность до объекта.