CC BY
539
«Современные методы и средства океанологических исследований». Ч. 3. - М.: ИО РАН, 2007. - С. 22-25.
3. Савицкий (ХА., Максимов И.И., Сахаров В.Л. Параметрический гидролокатор ближнего действия для охраны мелководных акваторий и узких каналов // Труды IX Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики». - СПб.: Наука, 2008. - С. 76-79.
4. Кичев В.С. Гидроакустические средства морского дна и основные направления их использования // Труды IX Всероссийской конференции «Прикладные технологии гидро-
». - .: , 2008. - . 274-276.
УДК 621.396.96
И.Т. Лобач
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ГИДРОАВИАЦИОННЫХ СИСТЕМ РАДИОНАВИГАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ
Среди задач разработки проектных технологии в авиационной навигации важнейшее место занимают технологии навигации летательных аппаратов над водными поверхностями. Кроме того, интересы России как морской державы диктуют необходимость развития отечественного аэрокосмического мониторинга океана и омывающих ее территорию морей. Оперативная информация глобального и регионального уровней о поверхностном слое океана востребована при решении научных и практических задач океанографии, разработке достоверных прогнозов погоды, определении оптимальных путей плавания судов, оценке, контроле и прогнозировании рыбных ресурсов морей и океанов.
В настоящее время сеть наблюдений за поверхностью океана недостаточна. , , -,
специальных судов и кораблей погоды. Возможности использования этих методов ограничиваются метеорологическими условиями, временем суток, а также техническими и организационными трудностями глобальных и региональных исследований Мирового океана. Это позволяет утверждать, что контактные измерения с помощью различного рода гидрологических, метеорологических и иных инструментов не удовлетворяют потребностям экологического мониторинга ни по объему, ни по оперативности получаемой информации.
Для дистанционного зондирования ВП используются электромагнитные волны широкого диапазона частот от оптических до радиоволн. Возможность получения информации о параметрах поверхностного слоя океана определяется тем, что механизмы отражения и собственного излучения радиоволн определяются электрофизическими параметрами и геометрией водной поверхности.
Общим требованием для приведенных выше задач является необходимость аналитического решения задачи рассеяния электромагнитных волн на статистически неровных поверхностях, исследования статистической структуры полей рассеяния и их связи с пространственно-временной структурой полей неровностей отражающей поверхности.
Несмотря на то, что вопросам исследования особенностей рассеяния электромагнитных волн взволнованной водной поверхности, анализа статистической
структуры электромагнитных полей рассеяния, анализа и синтеза радиолокационных методов измерения параметров морской поверхности с подвижных носителей посвящено значительное число работ, вряд ли исследования в этой области к настоящему времени можно считать завершенными.
Связано это с тем обстоятельством, что радиолокация морской поверхности -исключительно многофакторная проблема. Здесь приходится решать не только задачи из различных областей радиоэлектроники, таких как электродинамика, теория рассеяния и распространения ЭМВ, статистическая радиотехника, радиолокация, но и вопросы океанографии, физики, атмосферы и океана и др.
Применение адекватных электродинамических моделей, а также учет тонкой структуры волнения позволяют разработать основы теории рассеяния электромагнитных волн, устраняющие отмеченные недостатки.
Разработка и применение подобных моделей позволили научному коллективу кафедры «Радиотехнических и телекоммуникационных систем» (РТС) Таганрогского технологического института Южного федерального университета (ТТИ ) , -тотные энергетические спектры, статистические характеристики радиолокационного сигнала с аналогичными спектрами морской поверхности и с параметрами волнения. Полученные решения позволяют синтезировать алгоритмы, а также оптимальные и подоптимальные структурные схемы приемно-измерительных устройств, обеспечивающих оценку пространственно-временной структуры волнения. Предложенные модели позволяют также получить новые результаты, связанные с исследованием особенностей периодической нестационарности отраженных от морской поверхности сигналов в подвижной и неподвижной системах координат.
Большинство практических задач, требующих знания свойств морской поверхности, решаются в условиях измерения ограниченного числа параметров: высота, , , , , -ная скорость, скорость и направление ветра над морской поверхностью. В условиях полностью развитого волнения, между названными параметрами, существуют функциональные связи. Однако такой тип волнения в реальных условиях встречается редко. Поэтому, в общем случае, для получения наиболее полной информации о мор,
несколько основных параметров волнения. Накопленный в последние десятилетия опыт измерения характеристик электромагнитных полей, рассеянных водной по,
параметров волнения как в нашей стране, так и за рубежом [1-3].
Значительное внимание уделено исследованию параметров морского волнения с судов, береговых объектов, неподвижных платформ при настильных углах и неподвижных РЛС [4, 5]. В ряде работ [6-8], а также в работах автора [9, 10] исследуются методы и средства измерения пространственно-временной структуры морского волнения с летательных аппаратов. Однако основное внимание, при разработке методов измерения параметров волнения, уделяется анализу алгоритмов и методов измерения высоты волны. Такие важные параметры как длина, углы наклона, направление распространения морских волн, характер волнения, вектор скорости ветра над морской поверхностью в известных работах исследованы недостаточно полно. Практически не рассматриваются вопросы синтеза оптимальных алгоритмов и структур измерителей параметров волнения. Разработанные подоптимальные алгоритмы и методы измерения параметров волнения, как правило, не сопровождаются оценкой погрешностей. В диапазоне декаметровых волн не разработаны алгоритмы и методы измерения пространственного энергетического
спектра волнения с неподвижных и подвижных носителей. Недостаточно разработаны алгоритмы и методы оперативного определения пространственно-временной структуры морского волнения в диапазоне СВЧ.
Несмотря на большую потребность, в настоящее время отсутствуют промышленные образцы бортовых измерителей пространственно-временных параметров морского волнения и приповерхностного поля ветров, выполняющих измерение в реальном масштабе времени. Это связано с недостаточным объемом исследований в области синтеза алгоритмов измерений, разработки методов и технических , -ваний в натурных условиях.
« » 1970 .,
хоздоговорных и госбюджетных НИР и ОКР, проводятся комплексные исследования в области дистанционного контроля параметров водной и земной поверхностей в широком интервале частот, что позволяет существенно расширить объем и повысить качество извлекаемой информации о состоянии водной поверхности. Направлениями фундаментальных теоретических исследований научного коллектива кафедры РТС явились задачи синтеза алгоритмов и разработки новых методов измерений параметров волнения и приводного ветра. Не менее важным направлением исследований является задача совершенствования недостаточно разработанных методов с целью анализа их ограничений, погрешностей и возможностей использования на летательных аппаратах. Разработка алгоритмов измерения параметров волнения и комплексное исследование методов измерений проводится с единых теоретических позиций, базирующихся на физических принципах отражения электромагнитных волн от взволнованной морской поверхности и на знании , -
жающей поверхности.
Получены новые принципиально важные результаты в области теории рассеяния радиоволн неровными поверхностями. Разработан ряд новых радиолокационных методов измерения параметров морского волнения с борта летательного . 21 . -
ференциях и выставках, академических и отраслевых научных конференциях. Сформирован инженерно-научный творческий коллектив с более чем 25-летним опытом работы в указанной области.
На основе проведенных коллективом исследований впервые в нашей стране разработаны и изготовлены экспериментальные образцы аппаратуры для измерения параметров морских волн, которые внедрены в специальных разработках на ряде предприятий страны. Выполнен ряд ОКР, разработаны и изготовлены опытные образцы аппаратуры, которые прошли Г осударственные испытания. Решением Государственной комиссии разработанный в ТТИ ЮФУ прибор «Шторм» рекомендован для серийного производства. Прибор «Шторм» используется в качестве
штатного оборудования на самолете-амфибии «^ьбатрос» А-40 (г. Таганрог,
ТАНТК им. ГМ. Бериева). В настоящие время выполняется разработка бортового радиолокационного измерителя параметров волнения для самолета-амфибии -200.
волнения. Натурные эксперименты, проводившиеся с борта самолета на акватори-, , -ных методов. Измерения высоты морских волн в диапазоне 0,1-3 м. Возможны с относительной погрешностью не более 9%. Морские волны длиной 10-90 м измеряются с относительной погрешностью 10%. Точность измерения направления
бега волн не хуже 11°. Измерение пространственного спектра морского волнения позволяет определять характер волнения и другие параметры [11, 12]. Применение бортовых вычислительных средств позволяет проводить оперативную обработку океанографической информации на борту летательного аппарата.
На основе проведенных теоретических исследований был предложен алгоритм корреляционной обработки радиолокационных сигналов СВЧ-диапазона, отраженных взволнованной морской поверхностью, позволяющий проводить измерения скорости и направления ветра в приводном слое. Спроектирован действующий макет бортового измерителя, работоспособность которого была проверена экспериментально в натурных условиях. Результаты экспериментов подтвердили возможность измерения скорости ветра в интервале 0,5-30 м/сек. Основные усилия в дальнейших исследованиях будут направлены на повышение точности измерений и пространственной разрешающей способности [13, 14].
Коллектив кафедры РТС выполняет фундаментальные теоретические и экспериментальные исследования также в других областях проектного синтеза авиационных систем навигации, управления и контроля.
Одним из направлений исследований является «Р^работка методов повышения эффективности радиолокационного обнаружения малоразмерных целей на фо».
Сущность проводимых в этом направлении исследований заключается в разработке алгоритмов повышения контраста радиолокационного изображения малоразмерных целей на фоне отражений от морской поверхности, а также радиолокационного изображения неоднородностей самой морской поверхности. Необходимость решения подобных задач возникает при разработке средств радиолокационного обнаружения и картографирования нефтяных загрязнений водной поверхности, обна-, , , столкновений судов с малоразмерными объектами (буи, лодки и т.п.), раннего обнаружения волн цунами, дистанционного контроля параметров водной поверхности, ее неоднородностей, вызванных течениями, внутренними волнами и т.п.
Анализ направлений и тенденций развития методов радиолокационного обнаружения малоконтрастных целей свидетельствует о том, что известные работы, посвященные радиолокационным наблюдениям неоднородностей морской и зем-, -
вываются обычно лишь на оценке статистических характеристик отраженного сиг, , интерпретацией их соответственно условиям наблюдения неоднородностей радио. -
стов радиолокационного изображения необходимо решать на основе процедуры
, .
Подобный статистический подход для различения контрастов позволит объективно оценить возможности существующих радиолокационных систем и выявить потенциальные возможности их модернизаций, в основе которых лежит использование процедуры декорреляции радиолокационных отражений от площадки или объема разрешения с последующим эффективным накоплением декоррелированных от.
теоретическом рассмотрении физических основ многочастотной временной и пространственной декорреляции радиолокационных сигналов, отраженных областью разрешения радиолокатора. Временная изменчивость, например, морской поверхности, на фоне которой осуществляется обнаружение малоконтрастной цели, приводит к ограничению временного интервала накопления, отраженного от нее сиг-
нала. Использование же, например, режима поимпульсного изменения частоты излучения (п частот излучения) позволяет в рамках допустимого временного интервала накопления повысить в п раз количество некоррелированных отсчетов ра, . расчеты показывают, что при п = 50, отношении сигнал/шум равным 3, контраст радиолокационного изображения величиной 2 дБ обнаруживается с вероятностью ошибки не более 0,01.
Кроме режима частотного разнесения сигналов анализируются потенциальные возможности фоноконтрастных РЛС с быстрым обзором пространства и с ор-тогональнополяризованным излучением.
Проводимые исследования позволили: разработать основы теории повышения контраста радиолокационных изображений морской поверхности и малоразмерных объектов на фоне моря на основе комплексного анализа статистической структуры электромагнитных полей рассеяния; разработать алгоритмы обработки радиолокационных сигналов фоноконтрастных РЛС с накоплением отсчётов, де-коррелированных разнесением во временной и частотной областях; разработать методологию проектирование фоноконтрастных РЛС.
Разрабатываемые методы и технические средства должны позволить: повысить эффективность радиолокационного обнаружения малоразмерных надводных и ;
;
малоконтрастных объектов.
Следующим направлением исследований, выполняемых сотрудниками кафедры РТС является «Р^работка методов определения местоположения наземных источников радиоизлучений с использованием методов синтезирования приемной апертуры».
Актуальность работы диктуется необходимостью повышения точности определения местоположения источников радиоизлучений в районах боевых действий, , , проведении контртеррористических операций для информационного обеспечения принятия оперативных решений. В условиях недостаточной точности традиционных бортовых и наземных средств радиотехнических измерений определение местоположения излучающих средств радиосвязи требует привлечения нескольких
« ». -
же снижается оперативность и скрытность определения местоположения источни-, , . -вышения точности местоопределения может быть достигнут при использовании синтезирования приемной апертуры, возможность реализации которого принципиально обеспечивается на основе априорного знания параметров радиосвязных сигналов или их предварительного определения. Это требует поиска новых путей и методов высокоточного определения местоположения источников радиосвязи с использованием синтезирования апертуры с борта одного летательного аппарата или нескольких наземных когерентных приемных пунктов, а также при сочетании средств различного типа базирования. Научная новизна проводимых исследований состоит в развитии методов апертурного синтеза для случая приема сигналов радиосвязи с частично известными параметрами.
В результате выполненных исследований разработаны: теоретические осно-
,
радиосвязи радиотехническими средствами различного типа базирования (с борта , )
основе синтезирования апертуры и использования радионавигационных парамет-; -связи для широкого класса радиосигналов, способов передачи информации, включая пакетный режим; имитационно-математические модели, включающие имитаторы связных сигналов, для обработки алгоритмов пространственного разрешения ;
определения местоположения наземных источников радиосвязи радиотехническими средствами различного типа базирования (с борта летательного аппарата, наземными приемными пунктами или при их сочетании) на основе синтезирования апертуры и использования радионавигационных параметров сигналов; предложения и рекомендации по созданию бортовой системы высокоточного определения местоположения наземных источников радиосвязи на основе синтезирования апертуры; методики оценки возможностей определения местоположения заданных источников излучения в радиосвязных диапазонах для решения навигационных задач.
Авиационная бортовая радиоэлектронная аппаратура в нештатных режимах функционирует в условиях воздействия агрессивных факторов среды. Кроме того, к ней предъявляются требования функционирования в нештатных ситуациях, когда происходят сбои и отказы в работе устройств электропитания, в условиях пожара , . -коления радиоэлектронной техники, способной обеспечивать высокую работоспособность без потерь качества в экстремальных условиях.
Следующим направлением исследований, проводимых на кафедре является
«
маневренными объектами в условиях интенсивного противодействия среды при
».
Актуальность работы обусловлена необходимостью быстрого выведения автоматических систем из критических режимов работы, с целью снижения риска неблагоприятных последствий воздействия больших возмущений и быстрое фор, , что уменьшит отклонения и скорость изменения этих отклонений управляемых параметров от требуемых значений и поэтому дополнительно уменьшит время пребывания системы в критическом режиме и, следовательно, дополнительно снизит риск неблагоприятных последствий.
Традиционные методы не позволяют осуществить самоорганизацию системы для выведения из критических режимов за время, соизмеримое с их постоянными , , идентификации развития нежелательных режимов, обусловленной, кроме того, невозможностью создания позиционных датчиков, измеряющих большие (произ-) .
Наиболее перспективным для осуществления быстрого упорядочения процессов в нелинейной динамической системе является применение современной физической теории управления, основы которой заложены в трудах академика
А.А. Андронова. Применение этого подхода к синтезу самоорганизующейся сис-( ) быстро выйти из области притяжения опасного аттрактора (устойчивого предель-). , -ных случаях обеспечивает формирование управляющего воздействия, противодействующего короткому импульсу возмущения, что дополнительно уменьшает время пребывания системы в критическом режиме. Кроме того, использование этого подхода позволяет применяя только то минимальное количество датчиков, которое
необходимо для функционирования основного контура управления, обеспечивающего астатизм первого - второго порядка. Новизна работы заключается в решении задачи синтеза управления с привлечением принципа декомпозиции и отыскании
,
полной управляемости объекта.
Основными результатами исследований являются: анализ случайной бифуркации режимов работы нелинейных систем управления, вызванной непрогнозируемыми интенсивными факторами среды; разработка концепций построения сомооргани-зующихся нелинейных систем управления маневренными объектами в условиях интенсивного противодействия среды при дефиците времени и ограниченных ресурсов ; , быстрой самоорганизации нелинейных систем управления, придающих гибкость в формировании адекватного управления в условиях значительных изменений задающих и возмущающих воздействий обеспечивающих одновременно развитие процесса самоорганизации системы и противодействие большим внезапным возмущениям ударного типа еще на начальных стадиях их действия.
Построение статистических моделей систем радионавигации и радиолокации наряду с системными проблемами проектирования требуют разработки статистической модели радиолокационных сигналов, отраженных от подстилающей земной поверхности и моделей сигналов, отраженных протяженными пространственно
. , -лектива кафедры РТС является «Проведение теоретических исследований механизма взаимодействия электромагнитных полей с протяженными слоисто». -ной теории статистических моделей и методологии решения подобных волновых .
условиями их распространения в исследуемых средах. Диэлектрические потери и электропроводность грунтов ограничивают глубину проникновения радиоволн. Для обеспечения достаточных глубин проникновения вынуждены использовать относительно низкие для радиолокации частоты коротковолнового и средневолнового диапазонов волн. Переход к названным диапазонам позволяет считать большинство типов земной поверхности слабошероховатыми в масштабе используемых длин радиоволн. Этих условиях решение поставленной задачи может быть решено как методом Кирхгофа, так и методом малых возмущений. Известные подходы к решению поставленной задачи, основывающиеся на использовании частотной зависимости регулярной (когерентной) составляющей радиолокационного , , быть не могут, поскольку требуют фактически измерений комплексного коэффициента отражения Френеля в широком частотном диапазоне либо определения экстремумов его частотной зависимости. Если одновременно учесть технические сложности формирования, излучения, приема и обработки сверхширокополосных сигналов коротковолнового и средневолнового диапазонов, становятся понятными ограниченные возможности подобных методов решения задачи. Один из подходов к решению задачи основываются на анализе точечных отсчетов указанных частотных зависимостей коэффициента отражения. При этом требуется аналитического решения систем трансцендентных уравнений, определяющих когерентную составляющую отраженного поля. Для выделения информации об аргументе комплексного коэффициента отражения предусматривается разработка методов формирования опорных колебаний. Это позволит разработать алгоритмы измерения, инвариантные к высоте расположения летательного аппарата. Значительное внимание
уделяется также устойчивости алгоритмов измерения параметров слоя к высоте неровностей границ раздела и эволюциям траектории летательного аппарата.
Проведено теоретическое обоснование возможных методов дистанционного измерения глубины залегания слоя грунтовых вод. Выполнены натурные экспериментальные исследования в пойме реки Дон и в прибрежной зоне Цимлянского водохранилища, которые сопровождались контрольными замерами глубины залегания грунтовых вод в скважинах, расположенных вдоль зачетного участка малопересеченной поверхности земли. Исследования показали возможность определения уровня грунтовых вод на глубинах залегания от 0,5 до 5 м с погрешностью, не превышающей 15%, если максимальная высота неровностей поверхности земли не более 0,8 м. Прибор может эффективно использоваться при картографировании подтоплений в прибрежных зонах водоемов и при реализации программ рационального природопользования. [15, 16]
Весь комплекс проводимых коллективом кафедры РТС научных исследований является солидной базой для выполнения дальнейших фундаментальных исследований в перечисленных выше областях и для разработки методов и средств , .
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. - М.: Наука, 1972. - 424 с.
2. Beckman P., Spizzichino A. The Scattering of Electromagnetic Waves from Rought Surfaces. Pergamon Press, 1963.
3. Красюк И.П., Розенберг В.H. Корабельная радиолокация и метеорология. - J1.: Судостроение, 1970.
4. Гарнакерьян А.А., Сосунов A.C. Радиолокация морской поверхности. - Ростов н/Дону.: Изд-во РГУ, 1978. - 140 с.
5. Жуковский AM. Влияние скорости ветра на характеристики рассеяния электромагнит-
// . -
ская. 1970. Вып. 4. - С. 10-16.
6. . . ,
. - .: . , 1968. - 224 .
7. . . -
тов. - J1.: Гидрометеоиздат, 1978. - 240 с.
8. . ., . . , -женных от морской поверхности // Изв. вузов. Радиоэлектроника. Т.20. -№8. 1977. - С.59-64.
9. Lobatch V.T., Garnakeryan A.A., Airborne radar probing of a time-spatial strukture of sea waves // Proceedings of SPIE. Orlando. USA. 1998. Vol.3395. - P.172-178.
10. . . - -ской поверхности в декаметровом диапазоне радиоволн // Радиосистемы (Радиотехника). Вып. 54. - №1, 2001. -С. 81-88.
11. . ., . ., . . -ского волнения // Наука производству. - №9. 2000. - С. 37-42.
12. . . .
// . . 10180328. . 1991.
13. . ., . ., . ., . . -
// . III -
ции «Геленджик - 2000». - М., 2000.
14. . ., . ., . . -
// . II
конференции по гидроавиации. - М., 1998. - С. 294-299.
15. .. . . . -
. . . . . 45. - 3.
2002. - . 71-77.
16. Лобач В.Т. и др. Подповерхностная радиолокация в декаметровом радиодиапазоне. Труды международной научной конференции «Излучение и рассеяние электромагнитных
». , 2007.
УДК 534.222.2
В.Ю. Волощенко
ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ ЛОКАЦИОННАЯ СИСТЕМА БЛИЖНЕГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОДЛЕДНОГО ПЛАВАНИЯ АВТОНОМНЫХ ПОДВОДНЫХ АППАРАТОВ
В настоящее время задачи исследования и освоения обширных площадей мелководного Арктического шельфа России могут быть решены при использовании автономных подводных плавательных аппаратов, оснащенных специализиро-
( ), -
рых должно обеспечивать уклонение от столкновения с айсбергами и дном при движении в темное время года, под сплошным ледяным покровом в каналах, проливах между островами, а также возможность точного измерения толщины ледового покрова и обнаружения во льдах полыней и разводий, в связи с чем подводное гидроакустическое наблюдение ведется в трех направлениях - вперед, вниз и вверх. В [1] рассмотрено общее подледное гидролокационное оборудование авто-
« », 10 активной локации: вертикальный обзор вверх обеспечивают семь гидролокаторов-эхоледомеров, три из которых сосредоточены в кормовой, один - в средней, один -в носовой частях главной палубы корпуса, два - на рубке, один из которых - высокочастотный узколучевой профилограф-эхоледомер используется для точного измерения расстояния от верха рубки до ближайшей границы льда, а также его толщины при движении; передний обзор - обнаружитель айсбергов, который непрерывно сканирует пространство впереди лодки в поисках айсбергов или глубоких ; - , носовой и кормовой частях лодки. Данный пример наглядно демонстрирует важность получения в реальном масштабе времени достоверной информации о точном профиле нижней кромки льда и его толщине вдоль всего корпуса лодки с помощью гидроакустических средств обеспечения ближнего подводного наблюдения - гид-ролокаторов-эхоледомеров.
, 70% , -
щие среднюю толщину: зимой (3-4) м, летом (0,5-1,5) м и среднеквадратичное отклонение крупномасштабных неровностей до 3 м на нижней кромке, осадка торосов может достигать (7-8) м, а отдельных выступов - (16-20) м. Под влиянием ветров и течений арктические льды находятся в постоянном движении, а ледовые поля изобилуют многочисленными трещинами, каналами и полыньями [2]. Практика использования одночастотных эхоледомеров показала, что в данных условиях по записям рельефа границ раздела на регистраторах часто бывает трудно классифицировать характер поверхности, а точность измерения осадки и толщины льда
. -ложено в эхоледомерах использовать две частоты излучения - высокую и низкую,
