СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ПЛОЩАДИ РАССЕЯНИЯ УЧАСТКОВ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2025 года по МПК G01S7/40 G01S7/41 G01S13/89 

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для экспериментальной оценки вклада участков крупногабаритного объекта, например, летательного аппарата, в его интегральную величину эффективной площади рассеяния (ЭПР). Такая оценка важна для специалистов, разрабатывающих способы и средства уменьшения ЭПР летательных аппаратов, поскольку позволяет выявить наиболее отражающие элементы планера летательного аппарата, вносящие основной вклад в его ЭПР.

Основными параметрами электромагнитной волны, рассеянной радиолокационной целью являются амплитуда и фаза. Амплитуда определяет ЭПР цели и характеризует ее радиолокационную заметность. От величины ЭПР зависит дальность и вероятность обнаружения цели радаром, поэтому в военном противоборстве обе стороны стремятся уменьшить ЭПР объектов, чтобы они были менее заметны для радаров.

Наиболее близким по технической сущности и достигнутому техническому результату является известный способ измерения ЭПР участков крупногабаритных объектов, включающий установку объекта на опорно-поворотное устройство, измерение фона, эталонирование неподвижного объекта при его полном укрытии радиопоглощающим материалом (РПМ), облучение и определение мощности отраженных сигналов при вращении объекта вокруг вертикальной оси, при этом объект разбивают на участки, измеряют мощность отраженных сигналов от участков при последовательном удалении с них РПМ и определяют ЭПР участков (RU 2560935 C1, G01S 13/00, G01R 29/00, 20.08.2015).

Существенным недостатком описанного способа является то, что он трудоемкий и затратный за счет применения РПМ, а также продолжительный по времени из-за большого объема измерений ЭПР объекта. Кроме того, использование в способе РПМ заведомо исключает учет эффекта переотражения волн между соседними участками объекта, что приводит к неконтролируемой погрешности в определении ЭПР участков и объекта в целом. Так известно (Е.А. Штагер. Рассеяние радиоволн на телах сложной формы. М.: Радио и связь, 1986. С. 86), что во взаимовлиянии участков объекта друг на друга главную роль обычно играют лучевые переотражения. Рассмотрение задачи рассеяния волн на объектах с кромками, а также гладких выпуклых объектах свидетельствует о значительном вкладе эффектов переотражения волн в суммарное поле уже при k1<10, где k=2π/λ, λ - длина радиоволны, l - расстояние между локальными источниками переотражения.

Предлагается способ, позволяющий устранить указанные недостатки.

Задачей предлагаемого изобретения является сокращение времени проведения измерений для определения ЭПР участков крупногабаритных объектов, а также повышение точности определения ЭПР участков крупногабаритных объектов за счет учета переотражения волн.

Для решения указанной задачи предлагается способ определения ЭПР участков крупногабаритных объектов на основе синтеза их радиолокационных изображений (РЛИ) при многочастотном импульсном зондировании и инверсном синтезе апертуры. Ожидаемый технический результат достигается за счет того, что в известном способе измерения эффективной площади рассеяния участков крупногабаритных объектов, включающем установку объекта на опорно-поворотное устройство, измерение фона, эталонирование неподвижного объекта, облучение и определение мощности отраженных сигналов при вращении объекта вокруг вертикальной оси, согласно изобретения крупногабаритный объект облучают многочастотным импульсным сигналом, измеряют и регистрируют отраженный сигнал S{f,θ) в зависимости от частоты излучения f и угла поворота объекта в, синтезируют и запоминают его двумерное РЛИ s(z,x) в заданном угловом секторе ±Δθ, где z и х соответственно декартовы координаты дальности и поперечные координаты плоскости локации, определяют соответствие локальных центров рассеяния (ЦР) на РЛИ координатам участков объекта, исключают при помощи маски b(z,x) из РЛИ все ЦР кроме тех, которые относятся к измеряемому участку объекта восстанавливают комплексную огибающую отраженного сигнала из которой определяют ЭПР участка крупногабаритного объекта

Технический результат изобретения, заключающийся в сокращении времени проведения измерений и повышении точности определения ЭПР участков крупногабаритных объектов, достигается за счет выполнения единичного измерения сигнала, отраженного от крупногабаритного объекта, без укрытия его участков РПМ.

Из приведенной совокупности существенных признаков предлагаемого способа следует, что общим с прототипом являются операции установки объекта на опорно-поворотное устройство, измерение фона, эталонирование неподвижного объекта, облучение и определение мощности отраженных сигналов при вращении объекта вокруг вертикальной оси.

Операции эталонирования неподвижного объекта при его полном укрытии РПМ, разбиение поверхности объекта на участки и последовательного удаления с них РПМ, измерение мощности отраженных сигналов от участков, получение интегральной ЭПР методом сравнения измерений, проведенных в штатном состоянии и с замаскированным участком исключены, как не требующиеся при измерении на широкополосных измерительных стендах и комплексах.

Введены новые операции:

облучение крупногабаритного объекта многочастотным импульсным сигналом;

измерение и регистрация отраженного сигнала S(f,θ) в зависимости от частоты излучения f и угла поворота объекта θ;

синтез и запоминание двумерного РЛИ крупногабаритного объекта s(z, х) в заданном угловом секторе ±Δθ;

определение соответствия локальных ЦР на РЛИ координатам участков объекта;

исключение при помощи маски b(z,x) из РЛИ всех локальных ЦР кроме тех, которые относятся к измеряемому участку объекта

восстановление комплексной огибающей отраженного сигнала

определение ЭПР участка крупногабаритного объекта

Новые операции изобретения по сравнению с прототипом позволяют по единичному измерению отраженного от крупногабаритного объекта сигнала определить ЭПР его участков, а также повысить точность определения ЭПР участков крупногабаритного объекта за счет учета эффекта переотражения волн.

Описание предлагаемого способа заключается в следующем.

Известно (Радиолокационные характеристики объектов. Методы исследования. Под ред. С.М. Нестерова. М.: Радиотехника, 2015. С. 206-227), что радиолокационные системы и средства, использующие широкополосные когерентные приемники и эффективные методы обработки принимаемых сигналов позволяют формировать инверсно синтезируемые пространственные двумерные радиолокационные изображения (портреты) объектов с высоким разрешением, дающие возможность однозначно восстановить не только контур объекта, но и выявить его характерные элементы.

Возможность инверсного синтеза апертуры появляется при вращении объекта относительно радиолокационной измерительной установки, что не противоречит прототипу, где объект также вращается вокруг вертикальной оси. Изображение объекта формируется в плоскости его вращения. Разрешающая способность РЛИ по дальности определяется шириной полосы перестройки частоты зондирования, по поперечной координате - размером сектора углов локации.

Оператор свертки - синтезирования двумерного РЛИ объекта под ракурсом θ₀, в декартовых координатах дальности и поперечной координаты плоскости локации, имеет вид:

где s(z,х) - комплексная амплитуда отраженного объектом сигнала в точке с координатами z по дальности и х - по поперечной координате;

- комплексная амплитуда отраженного объектом сигнала в координатах частоты зондирования а в полосе перестройки от f_min до f_mах и угла поворота θ, изменяющегося от θ_--Δθ до θ₀+Δθ.

Вместо прямого интегрирования, трудоемкого в вычислительном отношении и требующего точного дискретного приближения сигнала, свертку в область декартова пространства осуществляют с помощью обратного быстрого преобразования Фурье. Для исключения искажений метрики получаемых изображений (из-за имеющейся нелинейной зависимости фазы от угла), перед преобразованием Фурье выполняют интерполяцию сигнала из полярных координат «частота-угол» в прямоугольные координаты так называемых «пространственных частот» где с - скорость света, формируя билинейную связь s исходных и результирующих координат. Свертку сигнала из области i «пространственных частот» в заданном угловом секторе синтезирования выполняют в соответствии с выражением:

где

При экспериментальной отработке объект исследования удобно представлять в виде совокупности его элементов - локальных ЦР, полагая, что общее рассеяние объекта для произвольного угла облучения - это сумма сигналов, вызванных отражением и взаимным переотражением от совокупности ЦР объекта (переотражения, как правило, вызывают локальные ЦР вне габаритов исследуемого объекта)

где N - количество локальных ЦР на РЛИ, σ_k - ЭПР, координаты к - го ЦР на РЛИ.

Установление соответствия ЦР на РЛИ элементам конструкции исследуемого объекта называется чтением РЛИ. Чтение РЛИ позволяет определять места (координаты) и выполнять анализ уровня рассеяния для каждого ЦР объекта (Методы исследования радиолокационных характеристик объектов. Под ред. С.В. Яголъникова. М.; Радиотехника. 2012. С 229-252).

Синтез РЛИ крупногабаритного объекта позволяет по единичному измерению отраженного от него широкополосного импульсного сигнала выявить ЦР на его поверхности и установить соответствие ЦР участкам крупногабаритного объекта.

Известен способ корректировки диаграмм обратного рассеяния радиолокационного объекта при исключении или снижении уровня отражений от элементов его конструкции (С.И. Моряков, С.М. Нестеров, П.Н. Скоков, И.А. Скородумов. Способ корректировки диаграмм обратного рассеяния радиолокационного объекта при исключении или снижении уровня отражений от элементов его конструкции / «Журнал радиоэлектроники». Электронный журнал №6, 2020), использующий алгоритмы стробирования участков РЛИ объекта для исключения из отраженного сигнала вкладов ЦР от отдельных элементов его конструкции. Так для выделения на РЛИ объекта области сигнала, принадлежащего интересующему элементу конструкции, необходимо умножить РЛИ объекта на двумерную пространственную функцию, принимающую значение 1, если сигнал в элементе разрешения принадлежит интересующему участку объекта и 0, в обратном случае:

где b{x,z) - пространственная функция (маска), подавляющая сигнал на выбранном участке РЛИ.

Также известен (Патент RU 2819757 С1 «Способ получения двумерного радиолокационного изображения объекта при многочастотном импульсном зондировании, обеспечивающий восстановление амплитуды и фазы отраженного сигнала» МПК: G01S 13/89 (2006.01), 10.04.2024) способ получения двумерного радиолокационного изображения объекта при многочастотном импульсном зондировании, обеспечивающий восстановление амплитуды и фазы отраженного сигнала в виде двумерных зависимостей от частоты излучения и угла наблюдения объекта.

Восстановление из РЛИ крупногабаритного объекта амплитуды и фазы сигнала, отраженного от его участка выполняется на основе прямого преобразования Фурье из выражения:

Использование алгоритма стробирования позволяет исключить из РЛИ крупногабаритного объекта ЦР не относящиеся к его интересующим участкам. В результате восстановленный отраженный сигнал оказывается эквивалентен сигналу, отраженному от интересующего участка крупногабаритного объекта.

Двумерные зависимости изменения ЭПР и фазы отраженного от участка крупногабаритного объекта сигнала с учетом его преобразования из декартовых координат пространственных частот f_z и f_x в полярные координаты частоты зондирования f и угла локации θ, получим соответственно из выражений:

Работоспособность предлагаемого способа проверена экспериментально в условиях Эталонного радиолокационного измерительного комплекса ЦНИИ ВКС Минобороны России («Эталонный радиолокационный измерительный комплекс открытого типа (ЭРИК)». Оружие и технологии России. Энциклопедия. XXI век. Противовоздушная и противоракетная оборона. Том IX. - М.: "Оружие и технологии". 2004. С. 385.).

На фиг. 1 представлен внешний вид экспериментального макета крупногабаритного объекта, состоящего из трех, расположенных в вершинах равностороннего треугольника на расстоянии ≈10λ друг от друга металлизированных сфер: одна диаметром 6,4λ и две диаметром 3,2λ.

На фиг. 2 представлены инверсно синтезированные двумерные РЛИ макета крупногабаритного объекта, состоящего из трех металлизированных cфер, а на фиг. 3 - РЛИ того же объекта, но из которого исключили локальные ЦР, сформированные двумя сферами, оставив один локальный ЦР от сферы диаметром 3,2λ. Условия локации следующие: круговое вращение вокруг центра равностороннего треугольника, угловой сектор синтезирования θ±40°, 1024 частотные дискреты с равным шагом по частоте в полосе 7…13 ГГц. Границы изображений по дальности (z) и поперечной координате (х) размечены значениями в метрах. Интенсивность (отраженная мощность) источников иллюстрируется палитрой цветов, соотнесенных со значениями ЭПР в дБ относительно уровня 10^-5 м².

На фиг. 4 для одинаковых условий сопоставлены фрагменты измеренных на частоте 10 ГГц круговых диаграмм ЭПР: макета крупногабаритного объекта - (а); отдельно измеренной металлизированной сферы диаметром 3,2λ - (б) и той же сферы (в), но полученной из РЛИ макета крупногабаритного объекта путем исключения локальных ЦР, сформированных двумя другими сферами.

Анализ приведенных на фиг. 4 результатов в секторе углов наблюдения 0±40° показывает отличие в 0,4 8дБ медианных значений ЭПР (отмечены прямыми линиями соответствующего цвета) металлизированной сферы диаметром 3,2λ, полученной известным способом-прототипом (б) и предлагаемым (в), учитывающим эффект переотражения волн.

Для прототипа время проведения измерений в большей степени определяется количеством оцениваемых участков, на которые разбивают поверхность объекта и временем на их дополнительное эталонирование. Очевидно, что в сравнении с прототипом в предлагаемом способе достаточно провести эталонирование неподвижного объекта без полного его укрытия РПМ и один цикл измерений ЭПР. Таким образом, в предлагаемом способе время на проведение измерений сокращается пропорционально числу оцениваемых участков крупногабаритного объекта.

Технический результат определения ЭПР участков крупногабаритных объектов для различных ракурсов наблюдения без применения РПМ достигнут. В отличие от прототипа, реализация заявляемого способа не требует значительного временного ресурса и материальных затрат на приобретение эффективного РПМ.

Задача изобретения решена: заявляемый способ измерения ЭПР участков крупногабаритных объектов, позволяет сократить время проведения измерений и повысить точность определения ЭПР счет учета переотражения волн.

Изобретение относится к радиолокации и может быть использовано для экспериментальной оценки вклада участков крупногабаритного объекта, в частности летательного аппарата, в его интегральную величину эффективной площади рассеяния (ЭПР). Техническим результатом является сокращение времени проведения измерений и повышение точности определения ЭПР участков крупногабаритных объектов. В заявленном способе крупногабаритный объект облучают многочастотным импульсным сигналом, измеряют и регистрируют отраженный сигнал в зависимости от частоты излучения и угла поворота объекта, синтезируют и запоминают его двумерное радиолокационное изображение (РЛИ) в данном угловом секторе, определяют соответствие локальных центров рассеяния на РЛИ координатам участков объекта, исключают из РЛИ все центры рассеяния, кроме тех, которые относятся к измеряемому участку объекта. Восстанавливают комплексную огибающую отраженного сигнала, из которой определяют ЭПР участка крупногабаритного объекта. 4 ил.

Способ определения эффективной площади рассеяния участков крупногабаритных объектов, включающий установку объекта на опорно-поворотное устройство, измерение фона, эталонирование неподвижного объекта, облучение и определение мощности отраженных сигналов при вращении объекта вокруг вертикальной оси, отличающийся тем, что крупногабаритный объект облучают многочастотным импульсным сигналом, измеряют и регистрируют отраженный сигнал S(f,θ) в зависимости от частоты излучения f и угла поворота объекта θ, синтезируют и запоминают его двумерное радиолокационное изображение s(z,x) в заданном угловом секторе ±Δθ, где z и х соответственно декартовы координаты дальности и поперечные координаты плоскости локации, определяют соответствие локальных рассеивающих центров на радиолокационном изображении координатам участков объекта, исключают при помощи маски b(z,x) из радиолокационного изображения объекта все рассеивающие центры, кроме тех, которые относятся к измеряемому участку объекта восстанавливают комплексную огибающую отраженного от участка крупногабаритного объекта сигнала , из которой определяют эффективную площадь рассеяния участка крупногабаритного объекта