Радиофизические методы и алгоритмы измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения

2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение............................................................. 5
Глава 1. Разработка методов измерений характеристик рассеяния
объектов в квазиплоском поле облучения........................ 14
1.1. Методы измерений характеристик рассеяния объскто!з. Проблемы формирования плоского поля облучения. Задачи исследований 14
1.1.1. Характеристики рассеяния объектов...................... 14
1.1.2. Методы измерений характеристик рассеяния объектов .... 17
1.1.3. Проблемы формирования плоского поля облучения объектов. Задачи исследований................................. 21
1.2. Метод радиоголографических измерений в квазиплоском поле облучения, основанный на допущении постоянства локальных коэффициентов отражения поверхности объектов........................... 24
1.3. Метод многоугловых измерений характеристик рассеяния объектов
в квазиплоском поле облучения..................................... 28
1.4. Критерий оценки качества радиоголографических измерений
характеристик рассеяния объектов сложной формы.................... 39
Выводы по главе................................................... 42
Глава 2. Моделирование процесса радиоголографических измерений характеристик рассеяния объектов сложной формы в квазиплоском поле облучения........................................... 44
2.1. Общая характеристика задачи....................................... 44
2.2. Модель формирования квазиплоского поля облучения.................. 47
2.3. Модель рассеивающего объекта сложной формы........................ 52
2.4. Модель процесса формирования и регистрации радиоголограммы объекта. Модель процесса измерений............................... 57
2.5. Задание геометрии моделей объектов в модели процесса измерений 60
3
2.6. Алгоритм моделирования процесса измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения методом многоугловых измерений....................................... 62
2.7. Исследование возможностей алгоритмов классического и
многоугловых измерений характеристик рассеяния объектов в
квазиплоском поле облучения.................................... 69
Выводы по главе................................................ 85
Глава 3. Применение методов измерений характеристик рассеяния
объектов в квазиплоском поле облучения для повышения
информативности коллиматорных измерительных комплексов радиоголографического типа . ’..................... 87
3.1. Восстановление РЛИ объектов по радиоголограммам в поле
плоской волны.................................................. 87
3.2. Восстановление РЛИ объектов на основе допущения постоянства
локальных коэффициентов отражения их поверхности............... 93
3.3. Восстановление РЛИ объектов на основе метода многоугловых
измерений...................................................... 99
3.4. Моделирование процесса измерений характеристик рассеяния
объектов на коллиматорных измерительных комплексах
радиоголографического типа..................................... 103
3.5. Сравнительная оценка эффективности алгоритмов обработки
результатов радиоголографических измерений на коллиматорных комплексах.................................................. 107
Выводы по главе.................................................... 113
Глава 4. Экспериментальное исследование метода многоугловых измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения...................................................... 114
4
4.1. Аппаратное и программное обеспечение процесса измерений 114
4.2. Проведение эксперимента и сравнение его результатов с данными
математического моделирования................................... 121
Выводы по главе................................................. 131
Заключение...................................................... 132
Библиографический список литературы............................. 135
Приложения...................................................... 144
5
ВВЕДЕНИЕ
В последнее время в связи с возросшей актуальностью задач разработки объектов с заданными отражательными свойствами существенно повысились требования к точности и детальности экспериментального исследования характеристик рассеяния - угловых зависимостей эффективной поверхности отражения (ЭПО) объектов и их элементов Г1-4].
Задачи измерения характеристик рассеяния объектов возникают при оценке эффективности практических мероприятий по снижению радиолокационной заметности объектов [5-8], получении изображений объектов в интересах решения задач радиолокационного распознавания [9], исследовании качества изготовления различных обтекателей радиоэлектронных устройств. Для этих целей совершенствуются радиолокационные измерительные комплексы (РИК) традиционного типа, основанные на измерениях характеристик рассеяния объектов в дальней зоне радиолокационной станции (РЛС) [1], созданы и совершенствуются системы для измерения характеристик рассеяния объектов в квази- [10] и локально- [11] плоском полях, сформировался новый класс измерительных систем - компактные радиолокационные полигоны [12], в которых измерение характеристик рассеяния производится на расстояниях, соизмеримых с размерами объектов.
Основным условием точного измерения характеристик рассеяния объектов является обеспечение плоского поля облучения [1-4], которое обычно выполняется при наблюдении объектов радиолокационными системами (РЛС). Существующие на практике ограничения на размеры измерительных трасс открытых полигонов [1, 13] и на качество исполнения коллиматорных устройств закрытых полигонов [14-18] позволяют формировать лишь приближенно плоское или квазиплоскос поле облучения. Элементы конструкции РИК, участки зрасс полигонов вносят искажения в пространственную структуру облучающего поля до 10 и более дБ [2]. Неплоскос поле облучения при экспериментальных исследованиях характеристик рассеяния объектов приводит к искажению
6
распределений токов на поверхности объектов по отношению к ситуации облучения их плоской волной и, в конечном счете, к погрешностям измерений, которые в ряде случаев оказываются недопустимыми.
В известной литературе [2, 18, 19] вопрос измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском иоле облучения исследовался с целью анализа погрешностей измерений в статистической [18, 19] или детерминистской постановке [2]. Вопросы поиска способов извлечения неискаженной информации о характеристиках рассеяния объектов в плоском иоле по данным измерений в квазиплоском поле облучения не рассматривались. Вместе с тем, задача восстановления характеристик рассеяния объектов в поле плоской волны по данным измерений в квазиплоском поле представляет несомненный интерес, так как ее решение позволит наметить пути повышения информативности существующих измерительных комплексов и разработать принципы построения новых высокоинформативных измерительных систем. Основой решения этой задачи является идея апостериорной обработки результатов измерений.
Известные из литературы [20, 22] способы коррекции результатов измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения, направленные на решение задачи восстановления характеристик рассеяния объектов в плоском поле по данным измерений в квазиплоском поле облучения, сводятся, по существу, к использованию допущения неизменности локальных коэффициентов отражения поверхности исследуемых объектов в полосе пространственных частот поля облучения (далее будем называть этот метод методом пространственной фильтрации). Такой подход применен для восстановления диаграммы рассеяния плоской антенны по ее диаграмме, измеренной в поле неплоской волны [20], а также при разработке алгоритмов коррекции результатов измерений радиолокационных характеристик (РЛХ) объектов в не-плоском поле с компенсацией реверберационных помех [22]. Алгоритмы, реализующие указанный способ коррекции, позволяют увеличить точность измерений характеристик рассеяния некоторых объектов примерно на порядок. Однако, вопрос применимости таких алгоритмов для измерения характеристик
7
рассеяния объектов сложной, отличающейся от плоской, формы в квазипло-ском поле облучения исследовался лишь частично, а более строгие подходы к решению поставленной задачи ранее в литературе не рассматривались.
Таким образом, актуальность задачи проведения теоретических и экспериментальных исследований в области разработки новых высокоинформативных методов измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения и алгоритмов апостериорной обработки результатов измерений обусловлена следующими обстоятельствами:
1. Необходимостью уменьшения погрешности оценок получаемых при проведении измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения в случае, если параметры поля в области размещения объектов исследования не в полной мере соответствуют установленному стандарту, а коррекция поля сопряжена с большими техническими трудностями;
2. Обеспечением возможности получения оценок характеристик рассеяния объектов, максимальные геометрические размеры которых превосходят размеры области допустимой неоднородности поля при условии сохранения прежних (определенных для этой области) значений погрешности измерений;
3. Необходимостью проведения измерений и получения оценок характеристик рассеяния объектов с малыми уровнями ЭПО локальных центров отра-
2 ^
жения (от 10' м и меньше);
Цель работы: обобщение и развитие радиофизических методов и разработка алгоритмов восстановления характеристик рассеяния объектов сложной формы в плоском поле облучения, основанных на апостериорной когерентной обработке данных измерений в квазиплоском поле.
Задачи исследований:
1. Обосновать принципы и разработать новые методы и алгоритмы измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения.
2. Разработать модели процессов измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения и исследовать новые алгоритмы измерений.
8
3. Разработать алгоритмы измерений характеристик рассеяния объектов на коллиматорных комплексах радиоголографичсского типа в квазиплоском поле облучения и оценить их точность.
4. Экспериментально исследовать алгоритмы измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения.
Методы исследования: При решении перечисленных задач использовались методы радиоголографии, решения обратных некорректно поставленных задач, численного решения интегральных уравнений электродинамики, анализа линейных систем, матричной алгебры, векторного анализа, а также метод математического моделирования.
Научные результаты и положения, выносимые на защиту :
1. Метод и алгоритм многоугловых измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения.
2. Математические модели процессов измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения классическим методом и методом многоугловых измерений.
3. Алгоритм многоугловых измерений характеристик рассеяния объектов на коллиматорных измерительных комплексах радиоголографичсского типа в квазиплоском поле облучения.
4. Модель процесса формирования и регистрации радиоголограмм объектов на коллиматорных комплексах радиоголографичсского типа, учитывающая искажающее воздействие элементов конструкции сканирующего устройства на квазиплоскос поле облучения.
5. Результаты сравнительной оценки точности традиционного и новых алгоритмов измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения на математической модели процесса измерений.
6. Результаты экспериментального исследования алгоритма многоугловых измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
9
1. Метод и алгоритм многоугловых измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения являются новыми. В отличие от известных, метод позволяет принципиально точно восстанавливать характеристики рассеяния объектов, как с независимыми, так и с взаимодействующими локальными центрами рассеяния в плоском поле по измерениям в квазиплоском поле облучения.
2. Модели процессов измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения классическим методом и методом многоугловых измерений являются новыми. В отличие от известных, в рамках моделей, за счет использования интегральных уравнений электродинамики, сірого описываются процессы распространения электромагнитного излучения, взаимодействия его с объектами исследования и формирования вторичного поля объектов.
3. Алгоритм многоугловых измерений характеристик рассеяния объектов на коллиматорных комплексах радиоголографического типа в квазиплоском поле облучения является новым. В отличие от известного, алгоритм позволяет минимизировать влияние элементов конструкции сканирующей системы на точность измерений характеристик рассеяния как простых, гак и сложных объектов с сильно взаимодействующими локальными центрами рассеяния.
4. Модель процесса формирования и регистрации радиоголограмм объектов на комплексах радиоголографического типа, учитывающая искажающее воздействие элементов конструкции сканирующего устройства на поле облучения, является новой. В отличие от известных, в рамках модели строго учитывается взаимодействие поля облучения с объектами.
5. Экспериментальное исследование алгоритма многоугловых измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения проведено впервые.
Практическая значимость полученных результатов состоит в следующем:
1. Математическая модель процесса измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения позволяет проводить исследования,
10
направленные на оценку влияния параметров квазиплоского поля облучения на точность измерений характеристик рассеяния объектов различными методами.
2. Математическая модель процесса измерений характеристик рассеяния объектов на коллиматорных комплексах радиоголографичсского типа в квазип-лоском поле облучения позволяет прогнозировать изменение технических характеристик измерительных систем за счет использования новых методов измерений, более совершенных элементов и способов построения измерительных схем.
3. Алгоритм многоугловых измерений характеристик рассеяния объектов на коллиматорных комплексах радиоголографического типа в квазиплоском поле облучения обеспечивает проведение измерений характеристик рассеяния объектов с минимизацией влияния искажающего воздействия элементов конструкции сканирующей системы на точность получаемых результатов.
4. Пакет прикладных программ, созданный с целью обеспечения возможности экспериментального исследования на РИК "Сектор" 5 ЦНИИИ МО РФ алгоритма многоугловых измерений, позволяет осуществлять автоматизированный съем и первичную обработку измерительной информации при регистрации радио гол о грамм объектов, исследовании диаграмм обратного рассеяния объектов и диаграмм направленности антенн. Информация записывается в виде, пригодном для обработки на ЭВМ согласно классическим и разработанным алгоритмам измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском попе облучения.
Достоверность полученных результатов обусловлена совпадением результатов математического моделирования в частных случаях с экспериментально полученными или известными данными, последовательным выводом полученных математических выражений из достаточно общих, не вызывающих сомнений исходных положений, данными математического моделирования, а также корректным применением адекватных теоретических методов.
Разработанные математические модели процессов измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения, на коллиматорных
II
комплексах радиоголографического типа в квазиплоском иоле облучения могут быть использованы при проведении дальнейших исследований в соответствии с предполаг аемыми работами по расширению информативности измерений.
Основные результаты диссертационных исследований автора опубликованы в 12 статьях (из них две - в центральной печати), трех отчетах о НИР "Обработка", проводимой в 5 ЦНИИИ МО РФ в 1999-2002 гг., обсуждены на шести конференциях: VI Международная научно-техническая конференция “Радиолокация, навигация и связь”, г. Воронеж, 2000 г.; X Международная конференция по спиновой электронике и гировекторной электродинамике (X International conference on spin-electronics and gyrovector electrodynamics), Москва (Фирсановка), 2001 г.; Всероссийская научно-техническая конференция 5 ЦНИИИ МО РФ, Воронеж, 2000 г.; Всероссийская научно-практическая конференция Воронежской высшей школы МВД России "Охрана-99", Воронеж, 1999 г.; научно-технические конференции аспирантов, адъюнктов и молодых ученых 5 ЦНИИИ МО РФ 2000, 2002 гг. (в 2002 г. доклад был удостоен первой премии), а также внедрены в виде специального программного обеспечения процесса радиоголографичсских измерений, измерений диаграмм обратного рассеяния объектов и диаграмм направленности антенн па РИК “Сектор” 5 ЦНИИИ МО РФ.
Диссертационная работа состоит из введения, чет ырех глав и заключения.
В первой главе рассматриваются проблемы формирования плоского поля облучения в системах измерений характеристик рассеяния объектов и формулируются задачи исследования. Обосновываются принципы измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения. Разрабатываются метод и алгоритм многоугловых измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения. Определяются условия применимости алгоритма. Производится выбор критерия качества измерений характеристик рассеяния объектов.
12
По второй главе разрабатывается модель процесса измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения, а на се основе алгоритмы моделирования процесса измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения классическим методом и методом многоугловых измерений. Предлагается классификация объектов по сложности взаимодействия между составляющими их элементами. Формируется группа тестовых объектов, с помощью которой на модели процесса измерений численно исследуются классический алгоритм и алгоритм многоугловых измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения. Формулируются рекомендации по практическому применению метода многоугловых измерений.
В третьей главе диссертационной работы рассматриваются приложения методов пространственной фильтрации и многоугловых измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения к задаче повышения информативности существующих средств измерений. Разрабатываются алгоритмы восстановления радиолокационных изображений (РЛИ) объектов на коллиматорном РИК радиоголографического типа по радиоголограммам, синтезированным в условиях искажения плоского поля облучения элементами конструкции сканирующей системы. Первый алгоритм разрабатывается на основе известного метода пространственной фильтрации и заключается в решении интегрального уравнения, связывающего неизвестные функции локальных коэффициентов отражения картинной плоскости объекта и значения вторичного поля в плоскости регистрации в частотной области с использованием регуляризации А.Н. Тихонова, а второй реализует метод миогоугловых измерений. Численно исследуются разработанные алгоритмы измерений.
В четвертой главе диссертационной работы приводятся: краткое описание авторской прикладной программы управления РИК "Сектор” 5 ЦНИИИ МО РФ в режиме формирования и регистрации радиоголограмм, использованной при проведении эксперимента по исследованию алгоритма многоугловых измере-
13
ний, результаты экспериментального исследования алгоритма многоугловых измерений характеристик рассеяния объектов в квазиплоском поле облучения.
В заключении подводится итог проведенным исследованиям, приводятся основные результаты, полученные в диссертационной работе.
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доктору технических наук, профессору Понькину В.А., привлекшему внимание к теме и оказавшему помощь при работе над диссертацией, кандидатам технических наук Мартынову Н.Л. и Кирьянову O.E. за ценные замечания и постоянное внимание к работе, а также Добрынину Д.Л. за помогць в организации и проведении эксперимента.
14
ГЛАВА 1. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК РАССЕЯНИЯ ОБЪЕКТОВ В КВАЗИПЛОСКОМ ПОЛЕ ОБЛУЧЕНИЯ
1.1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК РАССЕЯНИЯ ОБЪЕКТОВ. ПРОБЛЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ПЛОСКОГО ПОЛЯ ОБЛУЧЕНИЯ. ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1.1. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАССЕЯНИЯ ОБЪЕКТОВ
Любое тело, помещенное на пути радиоволн, вызывает изменение распределения поля радиоволн в окружающем пространстве. Общим случаем является дифракция на полупрозрачном теле. Радиоволны частично преломляются, частично рассеиваются. Если в материале тела имеются потери, то часть энергии радиоволн теряется [25].
Рассеивающие тела, являющиеся радиолокационными целями, обычно находятся на столь больших расстояниях от РЛС, что падающие на них волны можно считать локально плоскими [1-4]. Локально плоскими называют волны, фронты которых на небольшом рабочем участке настолько мало отличаются от плоских, что все явления с заданной точностью совпадают с явлениями при плоских волнах [2]. В этой связи рассеивающие свойства объекта описываются некоторой обобщенной величиной а, которая не зависит от параметров средства наблюдения объекта и называется эффективной площадью отражения (ЭПО). При определении величины ЭГ10 реальную цель мысленно заменяют фиктивным рассеивателем, установленным на место цели, рассеивающим равномерно энергию во все пространство и создающим в месте приема такую же плотность потока мощности, что и реальная цель. Выражение для расчета ЭПО обычно записывают в виде [3]:
(и)