- •Введение
- •Формирование алфавитов классов и признаковых пространств радиолокационного распознавания
- •1.1. Общие сведения
- •1.2. Формирование алфавитов классов
- •1.3. Траекторные признаки
- •1.4. Сигнальные признаки однопозиционной активной локации при узкополосном зондировании
- •1.4.1. Эффективные площади (эп) целей
- •Примерные эффективные площади радиолокационных целей
- •1.4.2. Поляризационные признаки
- •1.4.3. Модуляционные признаки
- •1.5. Сигнальные признаки однопозиционной активной локации при широкополосном, многочастотном и многодиапазонном зондировании
- •1.5.1. Признаки при широкополосном зондировании
- •Скалярные признаки подклассов целей
- •Дальностно-поляризационные портреты (дпп)
- •О переходе от согласованного дальностного разрешения к сверхразрешению
- •Дальностно-частотные портреты (дчп)
- •Дальностно-угловые портреты (дул)
- •1.5.2. Признаки при многочастотном зондировании
- •Признаки при когерентном зондировании сигналами малой протяженности
- •Признаки при когерентном зондировании сигналами большой протяженности.
- •Признаки при некогерентном многочастотном зондировании
- •1.3.3. Признаки при многодиапазонном зондировании
- •1.6. Сигнальные признаки однопозиционной пассивной локации
- •1.7. Сигнальные признаки многопозиционной активно-пассивной локации
- •1.8. Признаковые пространства распознавания
- •1.9. Эффективность радиолокационного распознавания
- •2. Алгоритмы распознавания по совокупности признаков
- •2.1. Общие сведения
- •2.2. Байесовские одноэтапные алгоритмы распознавания
- •2.2.1. Исходные структуры алгоритмов
- •При этом отношение
- •2.2.2. Мультипликативные байесовские алгоритмы и их частичная
- •2.2.3 Аддитивные частично параметризованные байесовские алгоритмы
- •2.2.4. Примеры элементов байесовских алгоритмов
- •Элементы алгоритмов, связанные с измерением эффективных площадей целей
- •Элементы алгоритмов связанные с получением дальностных портретов целей
- •2.3. Непараметрические алгоритмы многоальтернативного распознавания
- •2.3.1. Алгоритмы вычисления расстояний
- •2.3.2. Алгоритмы голосования
- •2.4. Нейрокомпьютерные алгоритмы
- •2.4.1. Принципы построения и структуры и ейро компьютерных алгоритмов
- •2.4.2. Варианты алгоритмов функционирования и обучения
- •2.4.3. Нейробайесовские алгоритмы
- •2.4.4. Некоторые данные моделирования
- •3. Принципы реализации высокого разрешения по дальности и по угловой координате в одпопозиционных системах радиолокационного распознавания
- •3.1. Общие сведения
- •3.2. Возможности и примеры получения дальностных портретов
- •3.2.1. Методы когерентной обработки сигналов
- •3.2.2. Примеры когерентной обработки сигналов
- •3.3. Принципы реализации высокого разрешения за счет прямого синтеза апертуры
- •3.4. Пример синтеза апертуры на спутнике "Сисат", сша, 1978 [41]
- •3.5. Обратный (инверсный) синтез апертуры и формирование дальностно-угловых портретов
- •3.6. Варианты адаптации к случайным параметрам сигналов
- •3.7. Адаптация к неравномерному движению цели без угловых рысканий
- •3.8. Принципы адаптации к рысканиям цели
- •3.8.1. Применение методов углового сверхразрешения
- •3.8.2. Сочетание когерентной обработки с некогерентной
- •3.8.3. Компенсация амплитудно-фазовых флюктуаций, обусловленных
- •4. Экспериментальные и расчетные методы определения характеристик вторичного излучения и показателей качества радиолокационного распознавания
- •4.1. Общие сведения
- •4.2. Экспериментальные методы определения характеристик вторичного излучения
- •4.2.1. Методы натурных измерений
- •4.2.2. Методы масштабного электродинамического моделирования
- •4.2.3. Методы гидроакустического моделирования
- •4.3. Расчетные методы определения характеристик вторичного излучения
- •4.3.1. Разновидности расчетных методов
- •4.3.3. Динамические цифровые модели вторичного излучения
- •Варианты построения динамических моделей
- •4.4. Методы определения показателей качества радиолокационного распознавания
- •4.4.1. Натурные методы
- •4.4.2. Методы физического моделирования
- •4.4.3. Методы математического моделирования
- •4.4. Примеры математического моделирования распознавания воздушных целей по совокупности признаков
4.3. Расчетные методы определения характеристик вторичного излучения
Интерес к таким методам возрастает вследствие удорожания натурных экспериментов, трудностей набора в ходе этих экспериментов необходимых данных и расхождения результатов, получаемых при этом различными экспериментальными методами.
4.3.1. Разновидности расчетных методов
Методика расчета характеристик вторичного излучения классифицируют: а) по методам описания поверхности аэродинамического объекта; б) по методам расчета рассеянного электромагнитного поля.
Среди методов описания поверхности выделяют:
1. Проволочные методы. Объект представляется совокупностью тонких проводников (проволочек) [80]. Метод применяется для расчета характеристик вторичного излучения в резонансной и рэлеевской областях.
2. Пластинчатые (фасеточные) методы. Поверхность цели описывается путем задания граней (фасеток) и ребер. Зачастую этот процесс автоматизируется [81 - 83]. Размеры фасеток составляют доли длины волны, что приводит к росту вычислительных затрат для самолетов в сантиметровом – дециметровом диапазонах длин волн.
3. Эллипсоидальные методы. В отличие от предыдущего метода, используются участки эллипсоидов [84 – 86]. Снимаются ограничения на размеры элементарных участков поверхности, но не учитываются деполяризующие эффекты.
4. Методы, использующие описание кубическими сплайнфункциями. Позволяют автоматизировать трудоемкий процесс описания поверхности цели, используя стандартные пакеты программ САПР [87]. В остальном близки по характеристикам к эллипсоидальным методам.
5. Метод простейших компонентов. Сочетает широкий набор простых тел: поверхностей второго порядка, пластин, клиньев, тонких проводов, дисков и т.д. [109]. Позволяет уменьшить вычислительные затраты при сохранении точности расчетов, однако требует значительных ручных затрат при описании поверхности цели.
Расчет рассеянного электромагнитного поля некоторых простейших тел проводят на основе точных решений, полученных из уравнений Максвелла. Для объектов более сложной формы используют метод интегральных уравнений [80], численно реализуемый на ЭВМ. Однако этот точный метод из-за роста вычислительных затрат не применим в высокочастотной области когда длина волны значительно меньше характеристик размеров рассеивателя. Для самолетов - это наиболее важные сантиметровый и дециметровый диапазоны. В этих диапазонах для решения стационарных задач рассеивания (П/f 1) широко используют приближенные лучевые и токовые методы [57]. К лучевым методам относят методы геометрической оптики и геометрической теории дифракции [89 - 94], к токовым методам относят методы физической оптики параболического уравнения и краевых токов (физической теории дифракции) [89, 93, 95 - 104]. Для решения нестационарных задач рассеяния, т.е. когда отношение ширины спектра сигнала к центральной частоте близко к единице, также разработаны специальные высокочастотные методы [39, 48, 105 - 107].
Приближенные высокочастотные методы расчетов не дают удовлетворительных результатов для таких элементов воздушных объектов, как антенные отсеки, кабины, воздухозаборники и сопла двигателей. В то же время, на наиболее важных носовых ракурсах эти элементы вносят основной вклад в отраженный сигнал. Выходом из положения может являться сочетание: а) теоретических приближенных методов для расчета характеристик вторичного излучения элементов планера самолета (фюзеляж, крыло, хвостовое оперение, гондолы двигателей, подвесное оборудование); б) экспериментальных данных и полуэмпирических формул для расчета характеристик вторичного излучение антенных отсеков, кабин, воздухозаборников и сопел двигателей. Такой метод расчета можно назвать экспериментально-теоретическим.
Ниже приводится описание методики моделирования характеристик вторичного излучения воздушных объектов в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн, обладающей следующими отличительными особенностями: а) для описания поверхности объекта используется метод простейших компонентов с наложением граничных условий: б) для расчетов характеристик вторичного излучения отдельных элементов объекта используется экспериментально-теоретический метод; в) расчет эффектов затенения и переотражений проводится по аналитическим формулам: г) для повышения точности моделирования параметры модели могут корректироваться на основе сопоставление с экспериментальными данными.
4.3.2 РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ВТОРИЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВОЗДУШНЫХ ЦЕЛЕЙ С
ПРОВОДЯЩЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ НА САНТИМЕТРОВЫХ И ДЕЦИМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛНАХ
Вектор комплексной огибающей радиолокационного сигнала находится по формуле
. (4.3)
Здесь - поляризационная матрица рассеяния i-го отражателя; - поляризационный вектор падающей волны; N - число освещенных отражателей; r° - единичный вектор падающего поля; комплексная огибающая сигнала на выходе устройства оптимальной обработки; - радиус-вектор фазового центра i-го отражателя; fо - несущая частота; с - скорость света в свободном пространстве.
В процессе вычисления находят с помощью ЭВМ: а) векторы r0 для различных ориентации цели; б) число N блестящих элементов и их координаты с учетом эффектов затенения; в) вклад каждого элемента в сумму (4.3); г) сумму вкладов (4.3).
Рис. 4.1. Системы координат наземного локатора Озхуz, воздушной цели Оξηζ и i-й аппроксимирующей поверхности Оixiyizi
На рис. 4.1 показаны Озxyz и Оξηζ – системы координат наземного локатора и воздушной цели; β - азимут и ε- угол места целя в первой системе. Не показаны Ψ,Θ,γ – углы курса, тангажа и крена цели во второй системе. Вошедший в (4.3) единичный вектор r° имеет в первое системе составляющие cosεּcosβ, cosεּsinβ, sinε и определяется во второй системе выражениями
; ( 4.4)
(4.5)
Учет особенностей цели. Ее поверхность аппроксимируется на основе чертежа совокупностью участков поверхностей второго порядка Fi(ξ,η,ζ)=0. Объекту принадлежат лишь точки i-й поверхности (i= 1,2, ... , n), которые лежат внутри неких ограничивающих ее поверхностей , где k=1, 2, ... , Ki - номер (Ki – число поверхностей, ограничивающих i-ю поверхность).
Кромки крыльев, киля и стабилизатора задаются клиньями, параметры каждого из них - длина и угол в радианах (см. пункт 5 приложения 4).
Изломы на стыке поверхностей второго порядка аппроксимируются клиньями с изогнутыми ребрами. При этом задают радиус кривизны клина и его внешний раскрыв (см. пункт 5 приложения 4).
Положение воздухозаборников двигателей задают координатами центров входных отверстий. Учитываются параметры двигателей: форма поперечного сечения воздухозаборника, его глубина, число, форма и размеры лопаток компрессора. Кромки воздухозаборника аппроксимируют частями тора или тонкими клиньями (пункты 3, 4 приложения 4).
Координаты центров бортовых антенн и единичные векторы нормали к апертурам антенн описывают положение и ориентацию антенн в системе координат цели. Задаются параметры их раскрыва, рабочая длина волны, фокусное расстояние (для зеркальных антенн), параметры облучателя и некоторые другие характеристики.
Для поверхностей, покрытых радиопоглощающими материалами, задают толщину покрытия, комплексные относительные проницаемости материала, степень неоднородности покрытия, форму укрываемой поверхности или же экспериментальную зависимость коэффициента отражения от углов облучения и наблюдения.
Каждая поверхность второго порядка (ограничивающая в том числе) задается предварительно в своей местной (канонической) системе координат Оixiyizi параметрами уравнений Fi(xi,yi,zi)=0, .
Например, участок цилиндрической поверхности, заданной уравнением Fi(xi,yi,zi)= . может ограничиваться парой плоскостей, перпендикулярных его оси, описываемых уравнением . В этих выражениях а, а1 и b, b1 – параметры поверхностей.
Рис. 4.2. Простейшая цель в виде сочленения, цилиндра (F1) с эллипсоидом (F2) и соответствующие ограничивающие пары плоскостей
Рис. 4.2 поясняет изложенное на примере простейшей цели в виде сочленения цилиндра с эллипсом. Блестящая точка на поверхности эллипсоида проверяется на ее местонахождение между парой ограничивающих плоскостей . Блестящая образующая на поверхности цилиндра проверяется на ее местонахождение между парой плоскостей .
Преобразование координат блестящей точки из местной системы координат в систему координат цели. Описывается выражением
(4.6)
Здесь Нi - матрица перехода от системы Оξηζ к системе Оixiyizi размера 3х3; ξiηiζi - координаты точки Оi в системе Оξηζ . Пересчеты вектора r° в местные системы координат проводятся согласно выражению ri=Hir°
Блестящие элементы при однопозиционной локации. Определяются точками стационарной фазы. Известно, что плоскость фронта волны является касательной к выпуклой поверхности F(х, у, z)= 0 в точке стационарной фазы. Иначе, единичный вектор r°, задающий нормаль к фронту волны, коллинеарен вектору grad F, откуда
(4.7)
где , , – направляющие косинусы, являющиеся проекциями на координатные оси вектора r°.
Аналитические выражения для нахождения координат блестящих элементов различных поверхностей второго порядка сведены в приложение 2.
Проверка затенения. Луч, проведенный из блестящей точки (ξσ ησ ζσ) некоторой аппроксимирующей поверхности в направлении на РЛС, не должен пересекать (по Ю.В.Сопельнику) ни один из ограниченных участков других аппроксимирующих поверхностей. Чтобы удостовериться в этом, следует подставить в уравнение i-й (проверяемой) поверхности второго порядка выражения прямой ξ= ξσ -r°ξt, η= ησ -r°ηt, ζ= ζσ -r°ζt . Полученное квадратное уравнение аt2 + bt + c = 0 решается относительно t.
. (4.8)
Здесь
(4.9)
где Рi – матрица 3х3 коэффициентов канонического уравнения i-й поверхности. Если уравнение (4.8) имеет хотя бы одно действительное положительное решение, то данная "блестящая" точка затенена.
Проверка затенения "блестящих" образующих и кромок производится дискретно с шагом Δl . Для плоской поверхности проверяется затенение центра каждой из элементарных площадок ΔSi, на которые она разбита.
Расчет поляризационных матриц элементарных излучателей при однопозиционной локации. Осуществляется в соответствии с выражением . Здесь – диагональная поляризационная матрица 2х2 в собственном поляризационном базисе i-го отражателя с диагональными элементами ; Ui - это матрица перехода от собственного поляризационного базиса i-го отражателя к поляризационному базису приемно-передающей антенны. Для линейно-поляризованной волны, падающей на прямую кромку, ее элементы равны U11i = U22i = cosφi, U21i = U22i = -sinφi, где φi – угол между вектором поляризации падающего поля и проекцией линии кромки на фронт волны. При вычислениях ЭП элементарных отражателей можно использовать формулы приложения 4, а также [74, 75, 99 - 101, 108 - 112].