ЭПР имеет размерность площади, но не является геометрической площадью, а является энергетической характеристикой, то есть определяет величину мощности принимаемого сигнала.

ЭПР цели не зависит ни от интенсивности излучаемой волны, ни от расстояния между станцией и целью. Любое увеличение ρ 1 ведёт к пропорциональному увеличению ρ 2 и их отношение в формуле не изменяется. При изменении расстояния между РЛС и целью отношение ρ 2 / ρ 1 меняется обратно пропорционально R и величина ЭПР при этом остается неизменной.

ЭПР распространённых точечных целей

Для большинства точечных целей сведения о ЭПР можно найти в справочниках по радиолокации

Выпуклой поверхности

Поле от всей поверхности S определяется интегралом Необходимо определить E 2 и отношение при заданом расстоянии до цели…

где k — волновое число.

1) Если объект небольших размеров, то — расстояние и поле падающей волны можно считать неизменными. 2) Расстояние R можно рассматривать как сумму расстояния до цели и расстояния в пределах цели:

Плоской пластины

Плоская поверхность — частный случай криволинейной выпуклой поверхности.

Уголкового отражателя

Принцип действия уголкового отражателя

Уголковый отражатель представляет собой три перпендикулярно расположенных поверхности. В отличие от пластины уголковый отражатель даёт хорошее отражение в широком диапазоне углов.

Треугольный

Если используется уголковый отражатель с треугольными гранями, то ЭПР

Применение уголковых отражателей

Уголковые отражатели применяются

• в качестве ложных целей
• как радио-контрастные ориентиры
• при проведении экспериментов сильного направленного излучения

Дипольного отражателя

Дипольные отражатели используются для создания пассивных помех работе РЛС.

Величина ЭПР дипольного отражателя зависит в общем случае от ракурса наблюдения, однако, ЭПР по всем ракурсам:

Дипольные отражатели используются для маскировки воздушных целей и рельефа местности, а также как пассивные радиолокациионные маяки.

Сектор отражения дипольного отражателя составляет ~70°

ЭПР сложных целей

ЭПР сложных реальных объектов измеряются на специальных установках, или полигонах, где достижимы условия дальней зоны облучения.

Простейшими считают объекты, ЭПР которых может быть достаточно просто вычислена аналитически. К ним относятся плоский лист, цилиндр, шар, уголковый и биконический отражатели, полуволновый вибратор, участок диффузно-рассеивающей поверхности, а также некоторые групповые и распределенные цели. Определение ЭПР таких объектов может представлять самостоятельный интерес, а также быть необходимо для вычисления ЭПР объектов сложной конфигурации, которые могут быть представлены совокупностью простейших объектов.

Для нахождения ЭПР участка S хорошо проводящей выпуклой поверхности (рис. 8.2) воспользуемся формулой (8.4), в которой отношение можно получить суммированием элементарных полей, создаваемых в месте расположения РЛС отраженными сигналами от элементов поверхности . Если расстояние от антенны РЛС до рассматриваемого элемента равно D и облучение происходит под углом к нормали с напряженностью поля то напряженность поля , в месте расположения РЛС

где - расстояние от РЛС до ближайшей точки поверхности. Тогда

поскольку .

Подставив значение в формулу (8.4), найдем выражение для ЭПР поверхности:

Воспользуемся полученным выражением для вычисления эффективной площади рассеяния некоторых простейших объектов.

ЭПР плоской хорошо проводящей пластины. Если металлический лист, размеры которого а и b много больше , но много меньше D, расположен перпендикулярно направлению облучения (рис. 8.3), то выражение (8.6) принимает вид

поскольку и вследствие малости размеров листа по сравнению с дальностью D и его расположению перпендикулярно направлению прихода радиоволн.

Таким образом, при нормальном облучении идеально проводящий лист зеркально отражает всю падающую энергию в направлении РЛС, что и обеспечивает большую ЭПР по сравнению с площадью листа. При см лист площадью имеет при облучении по нормали , что в несколько раз превышает ЭПР большого самолета.

Однако даже при небольшом отклонении направления облучения от нормали ЭПР плоского листа резко падает. Предположим, что направление облучения отклонено от нормали в горизонтальной плоскости на угол . Рассматривая лист как плоскую синфазную антенну с диаграммой направленности, описываемой функцией выражение для ЭПР можно записать в виде

Зависимость ЭПР от угла облучения называют диаграммой рассеяния цели.

Плоский лист имеет диаграмму рассеяния, описываемую функцией вида .

При больших отношениях размера листа к длине волны (в рассмотренном случае ) диаграмма рассеяния будет очень острой, т. е. при увеличении а значение ЭПР листа резко меняется в соответствии с функцией , снижаясь в некоторых направлениях до нуля.

Для ряда применений желательно сохранение большого значения ЭПР в широком диапазоне изменения углов облучения. Это необходимо, например, при использовании отражателей в качестве пассивных радиомаяков. Таким свойством обладает уголковый отражатель.

ЭПР уголкового отражателя. Уголковый отражатель состоит из трех взаимно перпендикулярных металлических листов, он обладает свойством отражения радиоволн в сторону облучающей РЛС, что объясняется трехкратным отражением от стенок отражателя (рис. 8.4), которое испытывает волна, если направление облучения находится вблизи оси симметрии (в пределах телесного угла ) уголкового отражателя. Из рис. 8.4 можно видеть, что трехкратное отражение происходит, если падающий луч проходит в пределах шестиугольника, вписанного во внешний контур отражателя. Следовательно, ЭПР уголкового отражателя примерно равна ЭПР плоского листа в виде такого шестиугольника, облучаемого по нормали. Подставив выражение для площади шестиугольника в (8.7), получим формулу для расчета ЭПР уголкового отражателя:

(8.9)

При и см ЭПР уголкового отражателя . Таким образом, ЭПР уголкового отражателя несколько меньше ЭПР плоской пластины с размерами . Однако уголковый отражатель сохраняет большое значение ЭПР в достаточно широком секторе, тогда как ЭПР пластины резко уменьшается при незначительных отклонениях направления облучения от нормали. Необходимо подчеркнуть, что достижение теоретического значения возможно лишь при высокой точности его изготовления, особенно при работе на волнах короче 3 см. Для расширения действующего сектора применяют уголковые отражатели, состоящие из четырех уголков.

В качестве пассивных радиолокационных маяков на море используют также биконические отражатели (рис. 8.5), составленные из двух одинаковых металлических конусов.

Рис. 8.4 Рис. 8.5

Если угол между образующими конусов равен , то луч после двукратного отражения от поверхности конусов направляется в сторону PЛC, что и обеспечивает большое значение ЭПР. Достоинством биконического отражателя является равномерная диаграмма рассеяния в плоскости, перпендикулярной его оси.

ЭПР шара. Для определения ЭПР большого (по сравнению с ) шара с идеально проводящей гладкой поверхностью можно воспользоваться формулой (8.6). Однако в данном случае в этом нет необходимости, поскольку такой шар соответствует требованиям к гипотетической цели, площадь поперечного сечения которой и является ее ЭПР. Таким образом, ЭПР шара, имеющего и гладкую идеально проводящую поверхность, равна его площади поперечного сечения независимо от длины волны и направления облучения:

Благодаря этому свойству большой шар с хорошо проводящей поверхностью применяют в качестве эталона при экспериментальном измерении ЭПР реальных объектов путем сравнения интенсивности отраженных сигналов.

При уменьшении отношения радиуса шара к длине волны до значений у функции (рис. 8.6) появляется ряд резонансных максимумов и минимумов, т. е. шар начинает вести себя как вибратор. При диаметре шара, близком к , ЭПР шара в четыре раза превышает площадь его поперечного сечения. Для малого шара с ЭПР определяется дифракционной формулой Рэлея и характеризуется сильной зависимостью от длины волны облучающих радиоволн.

Этот случай имеет место, например, при отражении радиоволн от капелек дождя и тумана.

С учетом значения диэлектрической проницаемости воды () ЭПР дождевых капель

где - диаметр капель.

Принято различать зеркальное, диффузное и резонансное отражения. Если линейные размеры отражающей поверхности много больше длины волны, а сама поверхность гладкая, то возникает зеркальное отражение. При этом угол падения радиолуча равен углу отражения, и волна вторичного излучения не возвращается к РЛС (за исключением случая нормального падения).

Если линейные размеры поверхности объекта велики по сравнению с длиной волны, а сама поверхность шероховатая, что имеет место диффузное отражение. При этом благодаря различной ориентации элементов поверхности электромагнитные волны рассеиваются в различных направлениях, в том числе и в направлении на РЛС. Резонансное отражение наблюдается в том случае, когда линейные размеры отражающих объектов или их элементов равны нечетному числу полуволн. В отличие от диффузного отражения, вторичное резонансное излучение обычно обладает большой интенсивностью и резко выраженной направленностью, зависящей от конструкции и ориентации вызывающего отражение элемента.

В тех случаях, когда длина волны велика по сравнению с линейными размерами цели, падающая волна огибает цель и интенсивность отраженной волны ничтожно мала.

С точки зрения формирования сигнала при отражении объекты радиолокационного наблюдения принято делить на малоразмерные и распределенные в пространстве или на поверхности.

К малоразмерным относятся объекты, размеры которых значительно меньше размеров элемента разрешения РЛС по дальности и угловым координатам. В ряде случаев малоразмерные объекты имеют простейшую геометрическую конфигурацию. Их отражающие свойства могут быть легко определены теоретически и предсказаны для каждого конкретного относительного расположения рассматриваемой цели и РЛС. В реальных условиях цели простейшего типа встречаются довольно редко. Чаще приходится иметь дело с объектами сложной конфигурации, которые состоят из целого ряда жестко связанных между собой простейших отражающих элементов. Примерами целей сложной конфигурации могут служить самолеты, корабли, различные сооружения и т. д.

Другие цели представляют собой совокупность отдельных объектов, распределенных в определенной области пространства, значительно превышающей по своим размерам элемент разрешения РЛС. В зависимости от характера этого распределения различают объемно-распределенные (например, дождевое облако) и поверхностно-распределенные (поверхность суши и т. д.) цели. Отраженный от такой цели сигнал является результатом интерференции сигналов отражателей, распределенных в пределах элемента разрешения.

Для фиксированного взаимного положения РЛС и отражающих объектов амплитуда и фаза отраженной волны имеют вполне определенную величину. Поэтому в принципе для каждого конкретного случая может быть определен результирующий суммарный отраженный сигнал. Однако в процессе радиолокационного наблюдения относительное положение целей и РЛС обычно меняется, что приводит к случайным флюктуациям интенсивности и фазы результирующих отраженных сигналов.

Эффективная площадь рассеяния цели (ЭПР).

Расчет дальности радиолокационного наблюдения требует количественной характеристики интенсивности отраженной волны. Мощность отраженного сигнала на входе приемника станции зависит от целого ряда факторов и прежде всего от отражающих свойств цели. Обычно радиолокационные цели характеризуются эффективной площадью рассеяния. Под эффективной площадью рассеяния цели в случае, когда антенна РЛС излучает и принимает электромагнитные волны одной и той же поляризации, понимается величина σц, удовлетворяющая равенству σцП1=4πК2П2, где П1 -плотность потока мощности прямой волны данной поляризации в точке расположения цели; П2 - плотность потока мощности отраженной от цели волны данной поляризации у антенны РЛС; R - расстояние от РЛС до цели. Значение ЭПР непосредственно может быть вычислено по формуле

σцП1=4πR2П2/ П1

Как следует из формулы приведенной выше, σц имеет размерность площади. Поэтому ее условно можно рассматривать как некоторую эквивалентную цели нормальную радиолучу площадку площадью σц, которая, изотропно рассеивая всю падающую на нее от РЛС мощность волны, создает в точке приема ту же плотность потока мощности П2, что и реальная цель.

Если задана ЭПР цели, то при известных величинах П1 и R можно вычислить плотность потока мощности отраженной волны П, а затем, определив мощность принимаемого сигнала, оценить дальность действия радиолокационной станции.

Эффективная площадь рассеяния σц не зависит ни от интенсивности излучаемой волны, ни от расстояния между станцией и целью. Действительно, всякое увеличение П1 ведет к пропорциональному увеличению П2 и их отношение в формуле не изменяется. При изменении расстояния между РЛС и целью отношение П2/П1 меняется обратно пропорционально R2 и величина σц при этом остается неизменной.

Сложные и групповые цели

Рассмотрение простейших отражателей не вызывает затруднения. Большинство реальных радиолокационных целей представляет собой сложную комбинацию отражателей различного типа. В процессе радиолокационного наблюдения таких целей имеют дело с сигналом, который является результатом интерференции нескольких сигналов, отраженных от отдельных элементов цели.

При облучении сложного объекта (например, самолет, корабль, танк и т. д.) характер отражений от его отдельных элементов сильно зависит от их ориентации. В некоторых положениях определенные части самолета или корабля могут давать весьма интенсивные сигналы, а в других положениях интенсивность отраженных сигналов может падать до нуля. Кроме того, при изменении положения объекта относительно РЛС меняются фазовые соотношения между сигналами, отраженными от различных элементов. В результате этого возникают флюктуации результирующего сигнала.

Возможны и другие причины изменений интенсивности отраженных сигналов. Так, может наблюдаться изменение проводимости между отдельными элементами самолета, одной из причин которого являются вибрации, обусловленные работой двигателя. При изменении проводимости меняются распределения токов, наведенных на поверхности самолета, и интенсивность отраженных сигналов. У винтовых и турбовинтовых самолетов дополнительным источником изменения интенсивности отражений является вращение винт.

Рис 2.1. Зависимость ЭПР цели от ракурса.

В процессе радиолокационного наблюдения взаимное положение самолета (корабля) и РЛС непрерывно меняется. Результатом этого являются флюктуации отраженных сигналов и соответствующие им изменения ЭПР. Законы распределения вероятностей эффективной площади рассеяния цели и характер изменений этой величины во времени обычно определяются экспериментально. Для этого записывают интенсивность отраженных сигналов и после обработки записи находят статистические характеристики сигналов и ЭПР.

Как показали многие исследования, для флюктуации σц самолетов с достаточной точностью справедлив экспоненциальный закон распределения

Изобретение относится к способам и технике измерений характеристик рассеяния радиолокационных целей, в частности к измерению эффективной площади рассеяния (ЭПР) наземных объектов авиационными радиолокационными станциями бокового обзора с синтезированной апертурой антенны (РСА). Техническим результатом изобретения является уменьшение погрешности измерения ЭПР наземных объектов. Способ измерения эффективной площади рассеяния наземных объектов РСА на основе абсолютной амплитудной калибровки тракта РСА включает использование системы внешней (наземной) калибровки (СВК) в виде наборов эталонных уголковых отражателей (УО), размещенных на однородном участке земной поверхности, аэросъемку с использованием РСА этого участка земной поверхности при заданных значениях высоты и курса полета носителя, получение радиолокационных изображений (РЛИ) участка земной поверхности с эталонными УО, измерение на полученном РЛИ параметров изображения каждого эталонного отражателя, обработку результатов измерений и оценку параметров калибровки сквозного тракта РСА и ЭПР наземных объектов. 6 ил.

Рисунки к патенту РФ 2308050

Область техники

Изобретение относится к способам и технике измерений характеристик рассеяния радиолокационных целей, в частности к измерению эффективной площади рассеяния (ЭПР) наземных объектов авиационными радиолокационными станциями бокового обзора с синтезированной апертурой антенны (РСА), и может быть использовано для повышения эффективности мониторинга земной поверхности на основе решения задачи абсолютной калибровки тракта РСА и формируемых ими радиолокационных изображений (РЛИ) с использованием эталонных наземных пассивных отражателей.

Уровень техники.

В настоящее время в мире создано большое количество комплексов дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ), в состав которых входят РСА. Тематическая обработка результатов зондирования, полученных с помощью РСА, является эффективной только при условии получения ими данных об абсолютной величине удельной эффективной поверхности рассеяния (УЭПР) 0 исследуемых объектов. Получение указанных данных с использованием авиационных и космических РСА возможно только при проведении абсолютной калибровки сквозного тракта РСА и получаемых ими РЛИ.

Под калибровкой РСА понимают решение задачи адекватного описания математической модели (ММ) передаточной функции (ПФ) сквозного тракта РСА на основе применения для оценки параметров ММ наземных эталонных средств (искусственных активных ретрансляторов, пассивных отражателей или поверхностно-распределенных объектов естественного происхождения) и учета результатов оценки ММ ПФ при формировании РЛИ.

В ММ ПФ сквозного тракта при калибровке РСА включают: трассу распространения сигнала, антенную систему, приемно-передающий канал, систему регистрации данных, процессор восстановления РЛИ из радиоголограммы (синтезирования), а также методику измерения параметров наземных эталонных средств и объектов наблюдения на РЛИ в интересах оценки их ЭПР.

Известные подходы к решению задачи измерения ЭПР наземных объектов с применением калиброванных РСА (см. Д.М.Бычков, А.С.Гавриленко, Е.М.Ганапольский, и др. "Комбинированная калибровка радиолокаторов бокового обзора с реальной и синтезированной апертурой". Успехи современной радиоэлектроники, 2005, №6; Белокуров А.А., Глыбовский С.И. "Методы и средства калибровки радиолокационных систем дистанционного наблюдения земной поверхности". Зарубежная радиоэлектроника, 1990, №2) показывают, что проблема абсолютной калибровки авиационных и космических РСА решена не полнотстью, а применяемые для ее решения способы, эталонные инструментальные средства и алгоритмы оценки имеют ряд недостатков, которые ограничивают достижимые значения погрешности калибровки и оценки ЭПР объектов.

Один из недостатков этих подходов заключается в неполном учете особенности формирования РЛИ в РСА. При выполнении процедуры калибровки в указанных работах используют уравнение связи между мощностью сигнала на входе приемника РСА, отраженного от исследуемого объекта, и его ЭПР () в виде

где Р пр - мощность сигнала на входе приемника РСА;

Р изл - средняя мощность излучаемого сигнала;

G() - диаграмма направленности физической антенны РСА по мощности в вертикальной плоскости с шириной диаграммы по углу места 0 ;

Длина волны излучаемого РСА сигнала;

R н - наклонная дальность до исследуемого объекта;

К ппо - коэффициент передачи тракта приема, преобразования и обработки РСА;

Эффективная площадь рассеяния исследуемого объекта.

Уравнение справедливо для РЛС кругового (секторного) обзора, в которых время облучения объекта практически не зависит от дальности до объекта (определяется отношением ширины диаграммы направленности антенны по азимуту к угловой скорости сканирования антенны). Калибровка сквозного тракта РСА на основе этого уравнения приводит к неполному учету зависимости ее ПФ от наклонной дальности R н до калибруемого (оцениваемого) объекта и дополнительным погрешностям в оценках ЭПР измеряемых объектов.

В радиолокаторах бокового обзора (включая РСА) время облучения объекта увеличивается пропорционально наклонной дальности до него , при этом передаточная функция тракта приема, преобразования и обработки РСА (см. Г.С.Кондратенков, В.А.Потехин, А.П.Реутов, Ю.А.Феоктистов "Радиолокационные станции бокового обзора". Советское радио, 1985 г.) и уравнение связи между мощностью сигнала на входе приемника РСА и ЭПР объекта преобразуется к виду

0 - ширина диаграммы направленности физической антенны РСА по азимуту,

П - скорость полета носителя РСА.

В этом уравнении мощность сигнала на входе приемника РСА обратно пропорциональна не четвертой, а третьей степени наклонной дальности до объекта.

При использовании для калибровки РСА пассивных отражателей, в указанных работах, не учитывают в явном виде зависимость индикатрис их отражения от углов визирования по азимуту и углу места, полагая значение const в диапазонах рабочих углов калибровки. Экспериментальные измерения индикатрис отражения большой группы уголковых отражателей с трехгранными и квадратными гранями (см. Сазонов Н.И. и др. "Система наземной калибровки РСА", ЛИИ им. М.М.Громова, Руководство по эксплуатации, 2005), изготовленными по единой технологии, показал, что их индикатрисы отражения имеют значительный (до 1,5...2 дБ) разброс от образца к образцу в диапазоне рабочих углов ±15° от максимума. Для уменьшения влияния указанного разброса значений ЭПР пассивных эталонных отражателей на погрешность калибровки РСА в методологии калибровки необходимо учитывать фактические зависимости их индикатрис отражения от углов визирования = ( , ) в каждом сеансе калибровки. При этом главные сечения индикатрис отражения УО должны измеряться в стендовых условиях (желательно в безэховых камерах) с погрешностью не более 0,5...1,0 дБ.

Важно отметить, что ЭПР пассивного отражателя, установленного на местности, может существенно отличаться от значения, измеренного на стенде в безэховой камере, из-за влияния интерференционного множителя, обусловленного влиянием отражений от земной поверхности в диапазоне рабочих углов визирования РСА по углу места. Предлагаемые в указанных выше работах способы минимизации этих отражений на основе покрытия радиопоглощающим материалом соответствующих участков земной поверхности в окрестности отражателей являются дорогостоящими и трудоемкими.

Известно, что выходной сигнал РСА существенно зависит от траекторных нестабильностей полета носителя, а применяемые в современных РСА методы обработки сигналов не обеспечивают полной компенсации их влияния. Современные способы калибровки РСА не предусматривают учета изменений амплитуды огибающей РЛИ эталонных отражателей из-за неполной компенсации влияния указанных нестабильностей, что приводит к дополнительным погрешностям в оценках амплитуды РЛИ эталонных отражателей и соответствующей составляющей погрешности калибровки.

При решении задачи калибровки цифровых РСА в оценке амплитуды огибающей РЛИ отражателя, которая используется в качестве эталонного параметра в процедуре амплитудной калибровки тракта РСА, не учитывается дискретная структура РЛИ, что приводит к неучтенной погрешности калибровки до 1.5 дБ.

Наиболее близким к предлагаемому способу измерения эффективной площади рассеяния наземных объектов радиолокатором с синтезированной апертурой антенны является техническое решение, описанное в статье Белокурова А.А., Глыбовского С.И. "Методы и средства калибровки радиолокационных систем дистанционного наблюдения земной поверхности". Зарубежная радиоэлектроника, 1990, №2, которое принимается в качестве прототипа.

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в уменьшении погрешности измерения ЭПР наземных объектов РСА на основе абсолютной калибровки сквозного тракта РСА при использовании в качестве системы абсолютной калибровки набора пассивных уголковых отражателей (УО), размещенных специальным образом на земной поверхности за счет уточнения ММ ПФ сквозного тракта РСА, а также процедур идентификации параметров ММ и системы калибровки.

Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения эффективной площади рассеяния наземных объектов радиолокатором с синтезированной апертурой (РСА) на основе абсолютной амплитудной калибровки тракта РСА, включающем использование системы внешней (наземной) калибровки (СВК) в виде наборов эталонных УО, размещенных на однородном участке земной поверхности, аэросъемку с использованием РСА этого участка земной поверхности при заданных значениях высоты и курса полета носителя, получение РЛИ участка земной поверхности с эталонными УО, измерение на полученном РЛИ параметров изображения каждого эталонного отражателя, обработку результатов измерений и оценку параметров калибровки сквозного тракта РСА и ЭПР наземных объектов, в качестве набора эталонных отражателей используют две линейки пассивных трехгранных УО, при этом первую линейку с одинаковыми расчетными значениями ЭПР отражателей размещают с равномерным шагом по наклонной дальности (поперек направления полета носителя) в пределах полосы обзора РСА, а вторую, с различными расчетными значениями ЭПР, размещают по линии, проходящей через средний УО первой линейки ортогонально к ней (по азимуту).

Фактические значения ЭПР каждого эталонного УО, входящего в СВК, определяют путем предварительного измерения в безэховой камере главных сечений индикатрис отражения УО по азимуту ind (и , аппроксимации измеренных значений ортогональными полиномами и степень n которых выбирают из условия реализации погрешности аппроксимации не более 0.5 дБ и расчета эталонных значений ЭПР каждого i-го отражателя в каждом сеансе калибровки в соответствии с формулой

Максимальные значения амплитуд отражателей на РЛИ определяют по максимальным амплитудам огибающих изображений УО, восстановленных путем двумерной интерполяции квадратных наборов цифровых отсчетов (пикселей) в окрестности каждого отражателя размером n х ×n у с использованием алгоритма интерполяции на основе двумерного преобразования Фурье, модифицированного с целью уменьшения погрешности интерполяции. Для этого измеряют максимальную амплитуду интерполированной огибающей РЛИ А i max , затем для уменьшения влияния рассогласований в системе обработки приводят измеренную амплитуду A i max к ее значению в тестовых условиях с учетом свойства (постоянства объема) функции неопределенности сигнала РСА. согласно выражению

а площади ее сечения при наличии S i и отсутствии рассогласований S o определяют на уровне 0.5A i max по значениям произведения ширины огибающих в двух ортогональных сечениях (по линии фактического пути - X и ортогональном ему - Y).

Для минимизации влияния интерференционного множителя земли калибровочный коэффициент K kal сквозного тракта РСА определяют как среднее значение оценок калибровочных коэффициентов К kal (i), рассчитанных для всех калибровочных УО в линейке по дальности

при этом оценки калибровочных коэффициентов K kal (i) для каждого УО определяют отношением амплитуд интерполированных огибающих i-го УО к соответствующим эталонным значениям их ЭПР iind ( , ), с нормировкой этих отношений к значению усиления физической антенны РСА G( i - A) и значению наклонной дальности согласно уравнению

Значения ЭПР точечных объектов на произвольном (калибровочном и измерительном) РЛИ определяют по уравнению

К kal - калибровочный коэффициент сквозного тракта РСА;

G( izm - A) - относительный коэффициент усиления антенны РСА при угле визирования УО в вертикальной плоскости izm и угле установки антенны РСА по углу места A ;

Значения ЭПР пространственно-распределенных объектов на произвольном (калибровочном и измерительном) РЛИ определяют по уравнению

где - среднее значение амплитуды пикселя измерительного РЛИ, измеренное по полю квадратного фрагмента размером n ф ×n ф пикселей, выбранного в пределах однородного участка текстуры пространственно-распределенного объекта,

Izm и R izmn - значения угла визирования и наклонной дальности, соответствующие центру квадратного фрагмента пространственно-распределенного объекта;

S 0 - площадь элемента разрешения измерительного РЛИ (принимается равной ее значению, полученному при проведении процедуры калибровки).

Предложенный способ обеспечивает уменьшение погрешности измерения ЭПР наземных объектов за счет абсолютной калибровки сквозного тракта РСА на основе применения набора пассивных уголковых отражателей (УО), размещенных специальным образом на земной поверхности, уточнения ММ ПФ РСА и может быть использован для существенного повышения эффективности использования РСА в авиационных системах мониторинга земной поверхности.

Изобретение поясняется чертежами, на которых:

На фиг.1 показана схема установки на земной поверхности СВК из двух линейных наборов эталонных пассивных УО, размещенных ортогонально на однородном участке поперек и вдоль направления полета носителя в пределах полосы обзора РСА (1 - линейка УО по дальности, 2 - линейка УО по линии пути; 3 - самолет-носитель; 4 - полоса обзора РСА).

На фиг.2 показаны геометрические соотношения, иллюстрирующие процедуру калибровки РСА в режиме бокового обзора при съемке набора эталонных пассивных УО в горизонтальной плоскости (1 - линейка УО по дальности, 2 - линейка УО по линии пути; 3 - самолет-носитель; 4 - полоса обзора РСА; ЛЗП - линия заданного пути; ЛФП - линия фактического пути; Снос - угол сноса самолета - носителя).

На фиг.3 показаны геометрические соотношения, иллюстрирующие процедуру калибровки РСА в режиме бокового обзора при съемке набора эталонных пассивных УО в вертикальной плоскости (1 - линейка УО по дальности, 3 - самолет-носитель; 4 - полоса обзора РСА; 5 - измеряемый УО).

На фиг.4 иллюстрируются характерный вид индикатрис отражения УО в горизонтальной и вертикальной плоскостях и результаты аппроксимации полиномами 9-й степени (9, 11 - графики измерения и аппроксимации главного сечения индикатрисы отражения УО по азимуту; 10, 12 - графики измерения и аппроксимации главного сечения индикатрисы отражения УО по углу места).

На фиг.5 представлен экспериментальный фрагмент исходного РЛИ с эталонными УО (5 - выделенный прямоугольный фрагмент исходного РЛИ измеряемого УО размером n×n пикселей; 6 - номера 1-го столбца и 1-й строки выделенного прямоугольного фрагмента в системе координат измерительного РЛИ; 13, 14 - огибающие главных сечений исходного РЛИ отражателя по дальности и азимуту соответственно).

На фиг.6 представлен фрагмент исходного РЛИ с эталонными УО после интерполяционного восстановления огибающей с использованием модифицированной процедуры двумерного БПФ (5 - выделенный прямоугольный фрагмент исходного РЛИ измеряемого УО размером n×n пикселей, 6 - номера 1-го столбца и 1-й строки выделенного прямоугольного фрагмента в системе коордного РЛИ; интерполированного РЛИ измеряемого УО размером n×n пикселей; 7 - интерполированный фрагмент 5 РЛИ измеряемого УО размером n×n пикселей; 15, 16 - огибающие главных сечений РЛИ отражателя по дальности и азимуту).

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

В способе измерения ЭПР объектов, включающем (фиг.1, 2) использование СВК из двух линейных наборов пассивных УО, размещенных ортогонально на однородном участке земной поверхности вдоль 1 и поперек 2 направления полета носителя РСА 3, аэросъемку участка земной поверхности с УО в полосе обзора 4 калибруемого РСА при заданных значениях дальности, высоты и курса полета носителя, получение РЛИ этого участка земной поверхности, а также систему цифровой автоматизированной обработки, в которой оценку параметров РЛИ каждого УО системы внешней калибровки и идентификацию параметров ММ ПФ калибруемого РСА выполняют в соответствии со следующими процедурами.

1. Процедура калибровки:

Все рассмотренные ниже процедуры калибровки используют зависимость амплитуды А max выходного сигнала РСА (амплитуда РЛИ) от корня квадратного из ЭПР измеряемых объектов вида

где K kal - коэффициент передачи калибруемой РСА;

G() - нормированная диаграмма направленности физической антенны РСА по мощности в вертикальной плоскости;

R н - наклонная дальность до исследуемого объекта, которая для измерительных цифровых РСА является линейной в широком динамическом диапазоне изменения ЭПР;

На полученном для калибровки РЛИ последовательно выделяют (фиг.5) прямоугольные фрагменты 6 размером n x ×n y пикселей с изображением УО в центре фрагмента 5 и оценивают координаты выделенного фрагмента Y ф, Х ф в системе координат РЛИ ("наклонная дальность (Y 0) - линия фактического пути (Х 0) носителя РСА");

Выполняют (фиг.6) процедуру двумерной интерполяции в К раз (К=2 n , n=1, 2, ...) для каждого выделенного фрагмента 6 изображения УО с использованием алгоритма интерполяции на основе двумерного преобразования Фурье, модифицированного с целью уменьшения погрешности двумерной интерполяции, и получают интерполированное изображение 7 фрагмента 6;

Измеряют (фиг.6) параметры главных сечений огибающей 15, 16 интерполированного РЛИ 7 каждого УО, прямоугольные координаты УО в системе координат выделенного фрагмента (dX, dY), максимальную амплитуду A imax огибающей, а также значения ее ширины в двух ортогональных сечениях (в направлении, совпадающем с линией фактического пути - Х i и ортогональном ему - Y i) на уровне 0.5, которые определяют площадь S i = Х i · Y i , основания параллелепипеда, объем которого равен объему функции неопределенности сигнала РСА соответствующего УО;

Корректируют искажения максимальной амплитуды огибающей A imax из-за влияния рассогласований в системе обработки согласно выражению

где S i = X i · Y i площадь элемента разрешения РСА, равная площади основания параллелепипеда, объем которого равен объему функции неопределенности сигнала РСА i-го УО (S 0 - при отсутствии рассогласований);

Оценивают фактические угловые параметры визирования каждого УО по азимуту и углу места по значениям координат УО на РЛИ и высоты полета носителя РСА с использованием алгоритма, учитывающего специальную геометрию размещения эталонных отражателей СВК на местности;

Эталонные значения ЭПР каждого УО, входящего в СВК, определяют путем предварительного измерения в безэховой камере главных сечений индикатрис отражения УО по азимуту 9 ind () и углу места 10 ind () в диапазонах рабочих углов визирования объектов и (±25° относительно максимума), аппроксимации измеренных значений ортогональными полиномами 11 и 12 , степень n которых выбирают из условия реализации погрешности аппроксимации не более 0.5 дБ (фиг.4) и расчета эталонных значений ЭПР каждого i-го отражателя в каждом сеансе калибровки в соответствии с формулой

Значения и определяют по разностям углов визирования виз, виз при съемке калибруемым РСА ортогональных линейных наборов эталонных УО и углов их ориентации на местности уо, уо в системе координат формируемого РЛИ (фиг.3);

Калибровочный коэффициент сквозного тракта РСА для исключения (минимизации) влияния интерференционного множителя земли определяют как среднее значение оценок калибровочных коэффициентов для всех УО в линейке по дальности калибровочного РЛИ

при этом оценки калибровочных коэффициентов K kal (i) для каждого УО определяют отношением амплитуд интерполированных огибающих i-го УО к соответствующим эталонным значениям их ЭПР iind ( , ), с приведением этих отношений к максимальному значению усиления физической антенны РСА G( i - A) и значению наклонной дальности согласно уравнению

A - угол установки антенны РСА по углу места.

2. Процедура оценки ЭПР точечных объектов:

Эффективную площадь рассеяния точечных наземных объектов на произвольном (калибровочном и измерительном) РЛИ определяют по уравнению

где - амплитуда интерполированной огибающей i-го УО в измерительном РЛИ;

R izmn - наклонная дальность до точечного объекта на измерительном РЛИ;

G( izm - А) - относительный коэффициент усиления антенны РСА при угле визирования УО в вертикальной плоскости izm и угле установки антенны РСА по углу места A ;

отношение коэффициентов усиления сквозного тракта РСА по амплитуде в режимах измерений и калибровки

3. Процедура оценки ЭПР пространственно-распределенных объектов:

Эффективную площадь рассеяния пространственно-распределенных наземных объектов на произвольном (калибровочном и измерительном) РЛИ определяют по уравнению

где - среднее значение амплитуды пикселя РЛИ, измеренное по полю квадратного фрагмента размером n ф ×n ф пикселей, выбранного в пределах однородного участка текстуры пространственно-распределенного объекта,

K kal - коэффициент передачи (калибровки) РСА;

Izm и R izmn - значения угла визирования и наклонной дальности, соответствующие центру фрагмента,

S izm - площадь элемента разрешения измерительного РЛИ (принимается равной ее оценке при проведении процедуры калибровки).

Пример применения предложенного способа

Предлагаемый способ измерения эффективной площади рассеяния наземных объектов РСА апробирован в ФГУП "ЛИИ им. М.М.Громова" при выполнении научно-исследовательской и опытно-конструкторской работы (НИОКР) по разработке и созданию "Авиационного комплекса (АК) для экологического мониторинга и исследования природных ресурсов Земли".

При проведении НИР были реализованы основные методические процедуры, обеспечивающие получение результата калибровки и измерений с погрешностью, соответствующей потенциальным возможностям предлагаемого способа.

В процессе экспериментов были получены РЛИ системы наземной калибровки РСА в сантиметровом диапазоне. Результаты измерений и обработки представлены в таблице 1.

Для определения положения жестко закрепленной на фюзеляже самолета физической антенны РСА по углу места в экспериментах проводились синхронные измерения угловых положений антенны и самолета.

В экспериментах использовалась НСК, включающая линейку, по дальности составленную из 9 УО с расчетными значениями ЭПР 3000 м 2 , установленных с равномерным шагом 500 м, и 4 УО, установленных ортогонально отражателям линейки на однородной подстилающей поверхности типа "луг-летом".

Для всех УО системы калибровки в безэховой камере были измерены главные сечения их индикатрис отражения на рабочей длине волны передатчика РСА.

Для проверки работоспособности и точности предлагаемого способа измерения ЭПР были выбраны три фрагмента РЛИ, включающих изображения УО системы калибровки.

Для всех отобранных РЛИ была выполнена процедура калибровки путем обработки изображений эталонных УО в соответствии с описанными ранее процедурами.

Затем по каждому из отобранных РЛИ была выполнена процедура измерений ЭПР эталонных УО для всех трех РЛИ.

Результаты, представленные в таблице 1, показывают, что процедура измерения коэффициента калибровки по любому из трех фрагментов дает устойчивые значения оценок, максимальная разница которых не превысила 5%.

При измерении ЭПР эталонных УО на фрагментах РЛИ с использованием результатов калибровки текущего фрагмента среднее значение погрешности измерений не превышает 10%.

Оценки, полученные при использовании для калибровки тракта РСА любого из этих фрагментов и измерении ЭПР УО на двух других (измерительных) фрагментах РЛИ, показали, что средние значения погрешностей оценок ЭПР на измерительных РЛИ также не превысили 10%.

Таким образом, полученные экспериментальные данные подтвердили высокую эффективность предложенного способа оценки ЭПР наземных объектов на основе решения задачи абсолютной калибровки тракта РСА и формируемых ими РЛИ с использованием наземных эталонных УО пассивного типа при существенном уменьшении погрешности оценок ЭПР по сравнению с известными способами.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ измерения эффективной площади рассеяния наземных объектов радиолокатором с синтезированной апертурой (РСА) на основе абсолютной амплитудной калибровки тракта РСА, включающий систему внешней калибровки (СВК) в виде наборов эталонных уголковых отражателей (УО), размещенных на однородном участке земной поверхности, аэросъемку с использованием РСА этого участка земной поверхности при заданных значениях высоты и курса полета носителя, получение радиолокационного изображения (РЛИ) участка земной поверхности с эталонными УО, измерение на полученном РЛИ параметров изображения каждого эталонного отражателя, обработку результатов измерений и оценку параметров калибровки сквозного тракта РСА и ЭПР наземных объектов, отличающийся тем, что в качестве набора эталонных отражателей используют две линейки пассивных трехгранных УО, при этом, первую линейку с одинаковыми расчетными значениями ЭПР отражателей размещают с равномерным шагом по наклонной дальности (поперек направления полета носителя) в пределах полосы обзора РСА, а вторую по линии, проходящей через средний УО первой линейки ортогонально к ней (по азимуту), фактические значения ЭПР каждого эталонного УО определяют путем предварительного измерения в безэховой камере главных сечений индикатрис отражения по азимуту ind (и ), степень в которых выбирают из условия реализации погрешности аппроксимации не более 0,5 дб и расчета эталонных значений ЭПР каждого i-го отражателя в каждом сеансе калибровки в соответствии с формулой

максимальные значения амплитуд отражателей на РЛИ определяют по максимальным амплитудам огибающих исходных изображений УО, восстановленных путем двумерной интерполяции квадратных наборов цифровых отсчетов (пикселей) в окрестности каждого отражателя размером n x ×n y с использованием алгоритма интерполяции на основе двумерного преобразования Фурье, модифицированного с целью уменьшения погрешности интерполяции, затем для уменьшения влияния рассогласований системы обработки РСА измеренную амплитуду интерполированной огибающей РЛИ A i max приводят к ее значению в тестовых условиях с учетом свойства (постоянства объема) функции неопределенности сигнала РСА согласно выражению

в котором параметры S i и S o определяют по значениям произведения ширины главных сечений двумерной огибающей РЛИ отражателя на уровне 0,5 А imax (по линии фактического пути - X и ортогональном ему - Y) в реальных и тестовых условиях, калибровочный коэффициент K kal сквозного тракта РСА определяют как среднее значение оценок калибровочных коэффициентов K kal (i), рассчитанных для всех N калибровочных УО в линейке по дальности

A - угол установки антенны РСА по углу места,

значения ЭПР точечных объектов на произвольном (калибровочном и измерительном) РЛИ определяют по уравнению

где - амплитуда интерполированной огибающей i-го УО в измерительном РЛИ;

K kal - калибровочный коэффициент сквозного тракта РСА;

R izmn - наклонная дальность до точечного объекта на измерительном РЛИ;

Отношение коэффициентов усиления сквозного тракта РСА по амплитуде в режимах измерений и калибровки, izmn - значения угла визирования и наклонной дальности, соответствующие центру квадратного фрагмента пространственно-распределенного объекта;

S 0 - площадь элемента разрешения измерительного РЛИ (принимают равной ее значению, полученному при проведении калибровки).

Эффективная площадь рассеяния цели (ЭПР)

Расчет дальности радиолокационного наблюдения требует количественной характеристики интенсивности отраженной волны. Мощность отраженного сигнала на входе приемника станции зависит от целого ряда факторов и прежде всего от отражающих свойств цели. Обычно радиолокационные цели характеризуются эффективной площадью рассеяния. Под эффективной площадью рассеяния цели в случае, когда антенна РЛС излучает и принимает электромагнитные волны одной и той же поляризации, понимается величина у ц, удовлетворяющая равенству у ц П 1 =4рК 2 П 2 , где П 1 -плотность потока мощности прямой волны данной поляризации в точке расположения цели; П 2 -- плотность потока мощности отраженной от цели волны данной поляризации у антенны РЛС; R -- расстояние от РЛС до цели. Значение ЭПР непосредственно может быть вычислено по формуле

у ц П 1 =4рR 2 П 2 / П 1

Как следует из формулы приведенной выше, у ц имеет размерность площади. Поэтому ее условно можно рассматривать как некоторую эквивалентную цели нормальную радиолучу площадку площадью у ц, которая, изотропно рассеивая всю падающую на нее от РЛС мощность волны, создает в точке приема ту же плотность потока мощности П 2 , что и реальная цель.

Если задана ЭПР цели, то при известных величинах П 1 и R можно вычислить плотность потока мощности отраженной волны П, а затем, определив мощность принимаемого сигнала, оценить дальность действия радиолокационной станции.

Эффективная площадь рассеяния у ц не зависит ни от интенсивности излучаемой волны, ни от расстояния между станцией и целью. Действительно, всякое увеличение П 1 ведет к пропорциональному увеличению П 2 и их отношение в формуле не изменяется. При изменении расстояния между РЛС и целью отношение П 2 /П 1 меняется обратно пропорционально R 2 и величина у ц при этом остается неизменной.

Сложные и групповые цели

Рассмотрение простейших отражателей не вызывает затруднения. Большинство реальных радиолокационных целей представляет собой сложную комбинацию отражателей различного типа. В процессе радиолокационного наблюдения таких целей имеют дело с сигналом, который является результатом интерференции нескольких сигналов, отраженных от отдельных элементов цели.

При облучении сложного объекта (например, самолет, корабль, танк и т. д.) характер отражений от его отдельных элементов сильно зависит от их ориентации. В некоторых положениях определенные части самолета или корабля могут давать весьма интенсивные сигналы, а в других положениях интенсивность отраженных сигналов может падать до нуля. Кроме того, при изменении положения объекта относительно РЛС меняются фазовые соотношения между сигналами, отраженными от различных элементов. В результате этого возникают флюктуации результирующего сигнала.

Возможны и другие причины изменений интенсивности отраженных сигналов. Так, может наблюдаться изменение проводимости между отдельными элементами самолета, одной из причин которого являются вибрации, обусловленные работой двигателя. При изменении проводимости меняются распределения токов, наведенных на поверхности самолета, и интенсивность отраженных сигналов. У винтовых и турбовинтовых самолетов дополнительным источником изменения интенсивности отражений является вращение винт.

Рис 2.1.

В процессе радиолокационного наблюдения взаимное положение самолета (корабля) и РЛС непрерывно меняется. Результатом этого являются флюктуации отраженных сигналов и соответствующие им изменения ЭПР. Законы распределения вероятностей эффективной площади рассеяния цели и характер изменений этой величины во времени обычно определяются экспериментально. Для этого записывают интенсивность отраженных сигналов и после обработки записи находят статистические характеристики сигналов и ЭПР.

Как показали многие исследования, для флюктуации у ц самолетов с достаточной точностью справедлив экспоненциальный закон распределения

W (у ц) = (1/<у ц >) ехр (-- у ц /<у ц >).

где <у ц > - среднее значение ЭПР.

Диаграммы обратного излучения кораблей имеют более тонкую лепестковую структуру, чем диаграммы самолетов, что объясняется значительно большими размерами и сложной конструкций кораблей. Отражающие элементы корабля многочисленны и разнообразны, поэтому корабль также можно рассматривать как группу элементов, отражения от которых имеют случайные фазы.

Экспериментальные исследования показывают, что флюктуации ЭПР корабля приближенно описываются также экспоненциальным законом распределения.

Данные о законах распределения амплитуд сигналов или ЭПР необходимы для расчета дальности действия РЛС и обоснования методики обработки сигналов. Сведения о функции корреляции и спектра флюктуации кроме того важны при определении точности измерения координат.

При практической оценке дальности действия радиолокационной станции прежде всего обычно пользуются средним значением ЭПР <у ц > Эту величину можно получить усреднением значений <у ц > для различных направлений падения облучающей волны. В таблице приведены средние значения ЭПР различных реальных целей, полученные в итоге обобщения большого числа измерений на волнах сантиметрового диапазона. Пользуясь этими величинами, можно произвести вычисления средних значений дальности обнаружения различных целей.