Электродинамический метод в бистатической радиолокации - реальные и искусственные цели Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 621.396.96+621.391.821

В. В. Яцышен, А. Ю. Гордеев

Электродинамический метод в бистатической радиолокации -реальные и искусственные цели

Показано, что реальное средство воздушного нападения (гиперзвуковая боеголовка ракеты) и имитатор цели типа MALD в бистатической радиолокации дают существенно отличающиеся топологические картины рассеяния при учете поляризации излучения. Излучение с р-поляризацией позволяет получить более выразительную топологическую картину рассеяния, чем в случае 5-поляризации, а изменение угла 9 места - более яркой рельефной картины с чередованием максимумов и глубоких минимумов, что позволяет предполагать высокую разрешающую способность при идентификации объектов с использованием градиентного метода. Особое отличие двух объектов (имитатора цели и боеголовки ракеты) можно наблюдать в случае 5-поляризации: картины существенно отличаются по топологии, у ракеты области максимумов занимают большую площадь, а минимумы значительно более глубокие.

Ключевые слова: бистатическая радиолокация, боеголовка ракеты, имитатор целей типа MALD.

Данная статья продолжает цикл публикаций [1-3], посвященных электродинамическим методам селекции и распознавания полезных и ложных целей при бистатической радиолокации. В работах [1, 2] были рассмотрены методики различия реальной и искусственной целей на основании исследования их портретов сечений рассеяния по всем азимутальным углам ф и углам 9 места приемной и передающей антенн для двух типов поляризаций. В статье [3] аналогичная информация была представлена для градиентов (градиентных компонент) сечений рассеяния по азимутальным углам приемной и передающей антенн. На рис. 1 показана конфигурация радиолокационной системы и введены следующие величины:

Ь - угол, образованный зондирующим и отраженным от цели лучами;

Рис. 1. Геометрия бистатической радиолокационной системы:

1 - цель; 2 - приемник; 3 - передатчик

© Яцышен В. В., Гордеев А. Ю., 2017

9Я - угол места для приемной радиолокационной станции (РЛС);

9Т - угол места для излучающей антенны;

Г, Г - расстояния между излучающей антенной и зондируемым объектом и между этим объектом и приемной антенной соответственно;

Ь - расстояние между передающей и приемной антеннами.

Углы 9Я и 9Т отсчитываются от нормали к поверхности до линии, определяющей максимум диаграммы направленности приемной антенны.

Бистатической радиолокации посвящены работы [4-17], в них показано, что все неизвестные параметры тх, г2 и Ь могут быть легко найдены, если известны параметр 9Я или 9Т, а также время № запаздывания между прямым сигналом от зондирующей РЛС и отраженным сигналом от цели. Если известны все вышеуказанные параметры, то можно легко получить азимутальные углы фj облучения цели и рассеяния фг, которые можно найти из проекций угла Ь и сторон г1 и г2 соответствующего треугольника на рис. 1 на земную поверхность. Кроме того, значения фг и 9Я для приемной РЛС могут быть получены методом разностно-фазовой пеленгации.

В работе [3] показано, что для определения типа (или даже конкретного вида) цели необязательно знать его сечение рассеяния (ЯС£ - Я) или градиентного поля (ЛЯ / Лф],г) во всем диапазоне углов ф j, фг и/или 9Я, 9Т.

та

X ф

ч

та 0-

та

О О.

£ V

ц

(Ч

ф

о сч

<

I

(0 га

s

0 ^

со те

1

о.

ф

о

и

V

со

сч ■ci-io о

I

сч ■ci-io сч

(П (П

Достаточно знать вышеуказанные параметры в некотором диапазоне углов (ф ], фг) и/или (9д, 9т), поскольку портреты сечений рассеяния или соответствующих градиентов для различных целей часто имеют ярко выраженные характерные особенности, различающие их, для одних и тех же значений этих углов. При этом крайне желательно, чтобы данные об ЯС8 или соответствующих градиентов поступали непрерывно, для чего необходимо осуществлять зондирование непрерывным сигналом, т. е. передающая РЛС должна работать в режиме постоянного подсвета цели.

В данной статье рассмотрим случаи обнаружения и распознавания электродинамическими методами в бистатической радиолокации реального средства воздушного нападения, представляющего на сегодняшний день наибольшую угрозу, - гиперзвуковой боеголовки баллистических ракет [11-17] (рис. 2). Также исследуем случаи обнаружения и распознавания искусственной цели (имитатора целей типаЫЛЬБ [4-10]), имеющей радиолокационную сигнатуру, близкую к сигнатуре истребителя (в том числе за счет имитации профиля полета истребителя), при 180°-рассе-янии (0°-отражении), т. е. при классической радиолокации, и при этом создающей активные радиолокационные помехи в направлении его облучения (рис. 3).

0-0 5 -ОД '

Рис. 2. Гиперзвуковая боеголовка баллистической ракеты типа WU-14

Рис. 3. Имитатор цели типа MALD-J

Объекты этих двух типов сложны для обнаружения классическими РЛС еще и по следующим двум причинам. Помимо высокой скорости, оставляющей на обнаружение ничтожно малое время, и гиперзвуковых боеголовок ЭПР составляет, как и у обычных, примерно 0,01.. .0,02 м2. Такая боеголовка может быть обнаружена, только когда это уже абсолютно бесполезно и нет времени на какую-либо реакцию. Будучи примененными в большом количестве в первой волне воздушной атаки противника и с включенными бортовыми средствами радиоэлектронной борьбы (РЭБ), имитаторы типа MALD (здесь и далее имеем в виду его последнюю модификацию MALD-J [4, 6, 8, 10]) могут полностью «ослепить» классические РЛС, поскольку направление зондирования имитаторов классическими РЛС будет идентичным направлению постановки прицельных заградительных помех большой интенсивности. Кроме того, в это же самое время в направлении наземных РЛС традиционного вида также могут применяться средства РЭБ из других источников, например EA-18G Growler, или очень мощный авиационный комплекс дальней радиолокационной борьбы EC-130H Compass Call. Отметим, что имитаторы целей MALD-J не только имитируют сигнатуру истребителей поколения 4 и 4+, но и траекторию полета истребителей для ввода в заблуждение следящих классических РЛС [4-10].

Исходя из сказанного выше, наиболее эффективным, а в определенных случаях единственно возможным, средством обнаружения и распознавания гиперзвуковых боеголовок баллистических или тактических ракет, а также имитаторов целей типа MALD-J, является анализ их ЯС£-портретов в бистати-ческой радиолокации. Рассмотрим подробнее портреты их сечений рассеяния для случаев различных поляризаций зондирующего излучения РЛС.

Для удобства обозначим ЫЛЬО как объект 1, а боеголовку ракеты - как объект 2. При расчете азимутальный угол ф менялся в диапазоне 0°.. .180°, а угол 0 места - 0°.. .180°, при этом другой угол оставался фиксированным и равным 45°.

Будем использовать следующие обозначения:

ф^ - азимутальный угол падения;

фг - азимутальный угол рассеяния;

0Т - угол места излучателя;

0Я - угол места приемника.

При анализе топографических портретов характерные точки будем обозначать в виде координат (А, гА), где под Л будем понимать угол ф или 0. Тогда точку, отвечающую значениям ф} = 45° и фг = 50° на соответствующем этому углу топологическом портрете будем обозначать как (45, 50). Диапазон в виде области на топографическом портрете обозначим [А1, гА1; tA2, гА2], что соответствует области

Л1 < Л < Л2,

гЛ1 < гЛ < гЛ2.

Здесь А - угол падения излучения на исследуемый объект;

гА - угол рассеяния.

Обозначение градуса (°) при этом для простоты записи опустим, имея в виду, что все цифры в скобках даны в градусах.

Из топографического портрета рассеянного от объекта 1 излучения для случая р-по-ляризации (рис. 4) видим, что максимум рассеяния находится в диапазонах [0, 50; 40, 60] и [100, 180; 140, 180]. Кроме этого, наблюдается минимум в узких полосках вблизи точек (20, 20), (20, 160).

0 50 100 150 <р7-

Рис. 4. Радиационное сечение рассеяния ИСБ объекта 1, дБ. Бистатическая геометрия, р-поляризация. Зависимость от углов ф^, фг , град

Для случая ^-поляризации (рис. 5) область максимумов рассеяния наблюдается вблизи краев картины, образуя при этом приблизительно кольцевую область. Картина максимумов более симметрична, и сечение рассеяния в целом имеет меньшие числовые значения, чем для р-поляризации. Отметим, что картина для азимутального угла ф достаточно плавная, без резких переходов максимум - минимум. Это связано с тем, что изменение угла ф вызывает меньшее изменение видимой площади объекта рассеяния, чем при изменении угла 0.

о 50 100 150 Ф, £

о

S

Рис. 5. Радиационное сечение рассеяния RCS ¡J

объекта 1, дБ. Бистатическая геометрия, ^

s-поляризация. Зависимость от углов ф., фг , град 2

^ S

На рис. 6, 7 показаны портреты для ме- ^

ридиональных углов (углов места) рассеяния g

для объекта 1. Случаи s- и р-поляризации по il

ф

о см

<

I

о га

г |

о ^

со га г о.

<и

о

и <и со

см ■ч-ю о

I

см ■ч-ю см

(П (П

Фг

■ 5 160

■ 0 140

-5 120

-ю 100 80

в -15 60

\ 1 -20 401

1 -25 2°1

Рис. 6. Радиационное сечение рассеяния ЯС8 объекта 1, дБ. Бистатическая геометрия, /»-поляризация. Зависимость от углов 0Я, 0Т, град

е*

160

140

120 100 » - •

80

60

40

20 ш

0

Рис. 7. Радиационное сечение рассеяния ЯС8 объекта 1, дБ. Бистатическая геометрия, ¿•-поляризация. Зависимость от углов 0Я, 0Т, град

интенсивности рассеяния достаточно близки, однако картина дифракции для/-поляризации выглядит более рельефно. Обратим внимание на диагональ высоких значений интенсивности рассеяния, соединяющую точки (180, 0) и (0, 180), ее будем обозначать как (180, 0)-(0, 180).

Для объекта 2 топологические портреты показаны на рис. 8-11. Максимумы для азимутальных углов в случае /-поляризации находятся в окрестностях точек (50, 40), (130, 130), (20, 160) и (170, 20). В случае ¿-поляризации картина дифракции выглядит более симметричной относительно диагоналей (0, 0)-(180, 180) и (0, 180)-(180, 0).

NN

100

150

Ф/

Рис. 8. Радиационное сечение рассеяния ЯС8 объекта 2, дБ. Бистатическая геометрия, /-поляризация. Зависимость от углов фу, фг , град

Рис. 9. Радиационное сечение рассеяния ЯС8 объекта 2, дБ. Бистатическая геометрия, ¿•-поляризация. Зависимость от углов ср, ф, . град

Рис. 10. Радиационное сечение рассеяния ЯС8 объекта 2, дБ. Бистатическая геометрия, /-поляризация. Зависимость от углов 0Я, 0Т, град

Рис. 11. Радиационное сечение рассеяния RCS

объекта 2, дБ. Бистатическая геометрия, s-поляризация. Зависимость от углов 0R, 0T, град

При изменении угла 0Т места (см. рис. 10, 11) интенсивность рассеянного излучения от объекта 2 значительно превосходит по значениям интенсивности объекта 1 и объекта 2 при рассмотрении азимутального рассеяния. При этом, как и ранее для объекта 1, картина для р-поляризации более рельефна, а для ^-поляризации несколько размыта. Для обеих поляризаций зондирующего излучения видна характерная полоса максимумов рассеяния вдоль диагонали (180, 0)-(0, 180). Структура минимумов в случае р-поляризации более выражена, чем для ^-поляризации. Видимо, это обусловлено тем, что р-поляризация оказывается более чувствительной к процессу рассеяния из-за того, что вектор напряженности электрического поля в этом случае содержит нормальную компоненту к границе раздела. На рис. 12-15 отражены трехмерные картины радиационного сечения рассеяния имитатора и ракеты для случаев изменения азимутальных углов для 5- и р-поляризации.

Исходя из сказанного выше, можно заметить, что исследуемые объекты в биста-тической радиолокации позволяют получить существенно отличающиеся топологические картины рассеяния при учете поляризации излучения и том, что в рекламных сообщениях ЫЛЬО представлен как объект, с помощью которого получается диаграмма рассеяния, близкая к реальным целям. При учете поляри-

Рис. 12. Радиационное сечение рассеяния RCS объекта 1, дБ. Бистатическая геометрия, /»-поляризация. Зависимость от углов ф-, фг, град. 3D-картина

Рис. 13. Радиационное сечение рассеяния RCS объекта 2, дБ. Бистатическая геометрия, р-поляризация. Зависимость от углов ф-, фг, град. 3D-картина

Рис. 14. Радиационное сечение рассеяния RCS объекта 1, дБ. Бистатическая геометрия, s-поляризация. Зависимость от углов ф- фг, град. 3D-картина

та

m

X ф

ч

та

CL

та

о о.

£ ф

ц

(Ч

о я Е

0 к

1 ш ^ tl ю Й

• 3

43

о Я Я

Е В

о К

0 н

01

ю о

н

ю

о &

со

к *

в

к

К о а я

к о

Ч я

— о н

Ol

рз

Ol

§ к

н

а ¿а

Я О

43 з-

о* 5'

3 Р3

ю

UJ

РЗ

ю о

а m

Е я

° ^ в

съ и ® В

^ S

43

0 2 РЗ

■ч

1 —

Н I

Е

й 5 О В

f Я

Ol

н g

Е □

о со ег

в

сг>

я

Я SO

а

е-

о —

из Я О о н Я

fco fco Я

о 43 О

Я

о

§ ч й я

рз СИ

UJ

о о

UJ Q\

РЗ

рз

О

я-

РЗ

О ЕГ

О О

£

2 Ol

й-

0

<

01

3

ст*

^ X

ю ^

Q\ 43

ю 3 о о

^ 3

У о

3* >1

с

ё

(Л

3

CIQ

РЗ

3"

<т>

0

3

ё

(Л

3

РЗ

<

01

Я Я

О п> Яс 43

00

ß -

CD рз

и Я н

Я о tr

• ^ 43

НИ Ol

О рз

g> £

О нн

3 *

з 5

О Й

со 2

Я ü

<< er

3

s

н

о

43 рз

43

рз

¡э

О-

0

01

43 рз

В

сг> Я S so

РЗ

рз

О 3

РЗ Ol

3 Ol

I

n

аГ о

О 3

3" О о рэ

43 о" 3 0 01 й-

TI S PS* 3

р fC

$ и" 3

43 о * ^ рз Ol ¡1

3 (Л 43

Ol g 43 —

(Л Р s: 3

сп Ol аГ О Р2

Ol 43 3.

о Ol

о 3 3~ 3 а* С/3 и. о" 3 Р2 О 3" 0Q

Ol JO о рэ

(Л ю 43 О

1 о ^ 3*

CT*

Ol Ul Я: рэ

Ol

Р2 о" (Л Р2

(Л ^Tl 43

F

43 X w

Р Л g

О Я

* Я

я 5

ЯС X

v я

о

X Р2

т S

я о и о я рэ

я

я я

я

о ,

Оо SO

3 в3

я О

В 1=1

ё 43

0

X

01

н о

НН Hi—i ft>

Cd 43 ¿1

^ Я "

00

о и

<Т) Я

я Ö 2 о 3 о я но

g St (J

13

я X Ol

d g> й <т>

2 я о

яс

43 g

я

I

ё Р2

я я о

3

Ol

О рэ §С ?

2 ^

о\ о я

я g р

в

О 43 со

Я ё о и ^

S н X

о о рз Ol

со so

00 я о Со

рэ -г ё

Я н о

2 рз о я 43

5 н о и о £ 00 рз

Ol т я

о я я я

и сг я

Е ^ я

^ 43 рз

5 Р2 я 43 н

я Ol я

ь н I

о Е

В о

рэ Ol

Ja JT рэ и Р2 о н в п о н

2 я со

Я I 2 рз Ol я I о

Я я

я

Ol

и я я

Ol

о о

9 ä

о м

8> о

0 я

01 о

я

о и

о со рэ

я

й я в со о § ^ 2 Я ^ нн о ^

н и я

X

я

Ol

в

^

5

о

я

о о

° НН

я V.

о о н сг

я

43

я

I о £ §

(Г S

I

о я

я § g

S о |—|

q 43 ^ tr Р ^

S 2 g

Р2

я

fC м

я Е

d °

Я О

§ 5 р

Я 43

I 8

Я из

о о

& Е

Сг ЛЭ йн

я о

Ol

3

^

о\ о я я

X

со

Ol Ol о и

so ^

43 X рз

6 00 Ol

Яс 2 Со

43 Я ё

fC о

и Я и

er Я Ü0

Ol Ol 43

е-я о Яс ^ 3 рз я 00 рз Я я

Я CD я

рз

43 2

Н о

Я о

я н

рз

о Я

43

X Я

Ol со

43 о

fC Й

Й я

о н

со рз я

Я Ol

я о

3

I

я S Л

О

я ±

Ol рз

о я я я я

Ol

н

43 Я 43 Я

Я

х я

- О0 Р2

я

я

Ol

яс

Ol

о

5

я рэ 43

н я

я

^

т я о н

43 Р2

я

я я

Й Р2 Ol

н

Ol

о

43 Й рз Ol о „

м ^

Ol о

я т

„ я

рз рэ

SO 43 Я рз

я ja

X Ol

и 5

Е со

н 21

s 5

s 3

Е 3

н

S ¡3

Со А

ti Л

^ 2

X Ol

§ яс

к»

CT*

^ fü 3 ^

о о Й fco

А Е

> о

¡3 Ol

2 РЗ Й Ol о. fü

Оо я fü ©

> I я

я я

н Ol я

5е Ol и 4J

.v п (J

ю яс и CD я

о

р\ td н 43

Ol о

% 0 н 1 я я Й я я рз

URL: http://thediplomat.com/2015/11/china-tests-new-hypersonic-weapon (дата обращения 23.11.2017).

12. Карпенко А. В., ред. Гиперзвуковой аппарат WU-14 (Китай) // Невский бастион - Бастион. 26.02.2018. URL: http://nevskii-bastion. ru/wu-14-china (дата обращения 23.11.2017).

13. Weapons of Mass Destruction (WMD) DF-ZF (formerly WU-14), WU-14 Dong Feng-21D (DF-21D)/CSS-5 Mod 5. Anti-Ship Ballistic Missile (ASBM). URL: https://www. gl ob alsecurity. org/wmd/ worl d/china/df-21d. htm (дата обращения 23.11.2017).

14. Acton J. M. China's Advanced Weapons // Carnegie Endowment for International Peace. February 23, 2017. URL: http:// carnegieendowment.org/2017/02/23/china-s-advanced-weapons-pub-68095 (дата обращения 23.11.2017).

15. Advanced Hypersonic Weapon (AHW). URL: https://www.globalsecurity.org/military/ systems/munitions/ahw.htm (дата обращения 23.11.2017).

16. Perrett B., Sweetman B., Fabey M. U.S. Navy Sees Chinese HGV As Part Of Wider Threat. China demonstrates a hypersonic glider // Aviation Week & Space Technology. January 27,

2014. URL: http://aviationweek.com/awin/us-navy-sees-chinese-hgv-part-wider-threat (дата обращения 23.11.2017).

17. Acton J.M.Hypersonic Boost-Glide Weapons // Science & Global Security.

2015. No. 23. Pp. 191-219. URL: http:// scienceandglobalsecurity.org/archive/ sgs23acton.pdf (дата обращения 23.11.2017).

Поступила 20.11.17

Яцышен Валерий Васильевич - доктор технических наук, профессор кафедры судебной экспертизы и физического материаловедения ФГАУ ВПО «Волгоградский государственный университет», г. Волгоград. Область научных интересов: исследование влияния эффектов неоднородности, нелинейности и пространственной дисперсии на электромагнитные свойства сред, исследование распространения и рассеяния электромагнитных волн в нелинейных средах, нелинейная радиолокация, математическое моделирование процессов в физике, методы квантово-механического расчета электромагнитных свойств материальных сред.

Гордеев Алексей Юрьевич - аспирант кафедры теоретической радиотехники и радиофизики ФГБОУ ВО «Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники», г. Москва. Область научных интересов: программируемые сигнальные процессоры, радиофизика, радиотехнические системы, радиолокация, цифровая электроника, параллельные вычисления, цифровая обработка сигналов, системы искусственного интеллекта, численные методы и математическое моделирование.

V

Electrodynamic method in bistatic radar -real and artificial targets

The research shows that the real aerial weapon, i.e. hypersonic missile warhead and the target simulator of the MALD type, in bistatic radar result in significantly different topological scattering patterns when taking into account the radiation polarization. Radiation with p-polarization allows for a more expressive topological scattering pattern than in the case of s-polarization, and the 8 angle change of the place gives a brighter relief pattern with alternating maxima and deep minima, which leads to an assumption about a high resolving power 5 when identifying the objects by means of the gradient method. A special difference between the two objects, i.e. the target simulator and the missile warhead, can be observed in the case of s-polarization: the patterns differ significantly in topology, the missile maxima regions occupy a larger area, while the minima are much deeper. a Keywords: bistatic radar, missile warhead, target simulator of the MALD type. 2

| Эnектронмка. PaflMOTexHMKa|

CM

Yatsyshen Valeriy Vasilevich - Doctor of Engineering Sciences, Professor of the Department of Forensic Expertise and Physical Materials Science, Federal Autonomous Educational Institution of Higher Education "Volgograd State University", Volgograd.

Science research interests: studying effects of inhomogeneity, nonlinearity and spatial dispersion phenomena on electromagnetic properties of media, electromagnetic wave propagation and dissipation in non-linear media, nonlinear radiolocation, mathematical modelling of physical processes, and quantum mechanics methods of computing electromagnetic properties of physical media.

Gordeev Aleksey Yuryevich - postgraduate student of the Department of Theoretical Radio Engineering and Radiophysics, Federal State Budget Educational Institution of Higher Education "Moscow Technological University", Moscow. Science research interests: programmable signal processors, radiophysics, radio engineering systems, radiolocation, digital electronics, parallel computing, digital signal processing, artificial intelligence systems, numerical methods and mathematical modelling.

o

CM

<

I

(0 ra 5

0 ü CQ ra

1 O.

V

o

ü V CQ