CC BY
19======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2010. Вып. 1
УДК 621.396.96.06
А. Ю. Андреев
Центральный научно-исследовательский институт им. акад. А. Н. Крылова
М. А. Бородин, В. В. Леонтьев
Санкт-Петербургский государственный электротехнический
университет "ЛЭТИ"
I Модели флуктуаций эффективной площади рассеяния знаков навигационного ограждения в радиолокационном тренажере
Представлена методика моделирования флуктуаций эффективной площади рассеяния знаков навигационного ограждения в радиолокационном тренажере. Проведено сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными.
Радиолокация, моделирование, радиолокационный отражатель, эффективная площадь рассеяния, радиолокационный тренажер
Резкое увеличение интенсивности судоходства (в особенности, при проходе проливов и на подходах к портам), появление все более крупных и быстроходных транспортных судов, перевозящих огромные объемы экологически вредных и опасных для окружающей среды веществ, выдвигают на одно из первых мест задачу обеспечения безопасности плавания [1]. Анализ аварий судов (столкновений, посадок на мель, ударов о рифы и т. д.) показывает, что причиной все большего числа чрезвычайных событий на море является так называемый человеческий фактор, когда при управлении различными сложными объектами фатальные ошибки допускает обслуживающий такие объекты персонал. С одной стороны, это связано с недоверием судоводителей к современным информационным техническим системам и с неумением правильно использовать их данные, а с другой - с излишне опасным доверием к данным этих систем при плавании в неблагоприятных условиях и осуществлении маневрирования при расхождении судов. Среди различных радиоэлектронных навигационных средств в Международной конвенции по охране человеческой жизни на море 1974 г. (СОЛАС-74) большое внимание уделяется судовым навигационным радиолокационным станциям (РЛС) и средствам автоматической радиолокационной прокладки (САРП). В соответствии с требованиями конвенции СОЛАС штурманский состав, капитаны и лоцманы судов должны проходить обучение на тренажерных комплексах. Одним из основных элементов таких комплексов является радиолокационный тренажер (РЛТ) [2]-[4], имитирующий работу и органы управления реальных РЛС и САРП.
Главным требованием, предъявляемым к РЛТ на протяжении многих лет, являлось обеспечение совпадения его сигналов с сигналами РЛС. В этом случае задача сводилась к моделированию процессов с заданными статистическими характеристиками. В настоящее время в РЛТ все чаще применяют программно-аппаратный принцип воспроизведения радиолокационной обстановки, когда в качестве аппаратных средств используются современные средства вычислительной техники, а программное обеспечение реализует различного рода алгоритмы [5] и имитационные модели [6]. В значительной мере такому подходу способствовало интенсивное развитие методов машинной графики, позволяющих получить на
© Андреев А. Ю., Бородин М. А., Леонтьев В. В., 2010
67
Рис. 1
B экране монитора изображения, схожие с
изображениями радиолокационной обстановки на экране реальной РЛС. Однако использование методов машинной графики без учета закономерностей работы реальной РЛС может создать такие условия, при которых получаемое радиолокационное изображение (при кажущейся его схожести с реальным изображением РЛС) будет неверно моделировать ее работу. Например, могут быть искажены дальности обнаружения целей, нарушены закономерности изменения радиолокационных изображений при воздействии оператора на органы управления РЛС и т. д.
В соответствии с новыми требованиями Международной морской организации (International mariner organization - IMO) ставится задача моделирования не только сигналов, но и самих радиолокационных сцен, соответствующих акваториям конкретных реальных портов, проливов и т. д. Это требует разработки новых математических моделей, устанавливающих взаимосвязи между параметрами РЛС, объектами радиолокационных сцен, условиями их наблюдения, с одной стороны, и параметрами и характеристиками моделируемых сигналов - с другой.
В нормативных документах IMO, регламентирующих требования как к РЛС, так и к радиолокационным тренажерам, существенное внимание уделяется обнаружению и, соответственно, моделированию знаков навигационного ограждения.
Цель настоящей статьи - предложить методику моделирования флуктуаций эффективной площади рассеяния (ЭПР) знаков навигационного ограждения в радиолокационном тренажере.
Геометрия задачи представлена на рис. 1. Будем считать, что антенна РЛС расположена в точке A на высоте H над уровнем моря, а знак навигационного ограждения - в точке B на высоте h. Изменения ординат z морских волн описываются гауссовским случайным процессом с нулевым математическим ожиданием (z = 0) и среднеквадратическим отклонением оz . Для представления энергетического спектра морского волнения использована формула Пирсона-Московитца:
W(к)= 1(с/2k3w)exp(-Pg2lklv4), kw > 0;
0, kw < 0
о
где ^ - пространственное волновое число; £ = 8.10-10" ; Р = 0.74; g = 9.81 м/с2 ; у - скорость ветра на высоте 19.5 м.
В связи с тем, что диаграммы вторичного излучения знаков навигационного ограждения практически равномерны, для описания их рассеивающих свойств использована модель точечного изотропного отражателя.
В соответствии с четырехлучевой моделью распространения радиоволн вблизи границы раздела "воздух - взволнованная морская поверхность" [6] флуктуации ЭПР знака навигационного ограждения во времени I представим в виде
,2 .
9 2
a(t) = a0exp(-/'2kh sin0) + Г2 (t)exp(i2kh sin0) + 2r(t) , (1)
где ao - ЭПР точечного отражателя в свободном пространстве; k = 2тс/Х - волновое число (X - длина электромагнитной волны в воздухе); Г( t) - комплексный коэффициент отражения электромагнитных волн статистически шероховатой поверхностью моря.
Для судовых навигационных РЛС, работающих в сантиметровом диапазоне длин волн, характерны следующие соотношения параметров: Ro, R\ » h, h » X, a = (az /X) sin 0 «1.
Параметр a с точностью до постоянного множителя 4л совпадает с параметром Релея 2kaz sin 0 . При указанном соотношении параметров в отраженном от статистически шероховатой морской поверхности электромагнитном поле выделяют когерентную и случайную (или некогерентную) составляющие. Тогда комплексный коэффициент отражения электромагнитных волн статистически шероховатой поверхностью моря Г( t) можно представить в виде суммы когерентного Гк (t) и некогерентного Гн (t) коэффициентов отражения:
Г(t) = Гк (t) + Гн (t) . (2)
Математические модели когерентного и некогерентного коэффициентов отражения описаны в работах [7] и [8].
Результаты математического моделирования флуктуаций во времени ЭПР знака навигационного ограждения представлены на рис. 2. Кривые представляют выборочные реализации, полученные с помощью выражений (1) и (2).
Геометрические и электродинамические параметры модели выбраны с учетом соответствующих параметров экспериментального макета, что позволяет производить сравне-
a•Ю-4, м2
1.4
1.3
1.2
a •Ю-3, м2
0.9
0.8
0.7
t, c
t, c
a •Ю-4, м2
1.7
1.6
1.5
a• 10 3, м2
3.39 3.36 3.33 3.30
t, c
t, c
Рис. 2
б
а
в
г
ние результатов моделирования с данными натурных измерений. При расчете принято, что ЭПР знака навигационного ограждения в свободном пространстве Од = 1055 м . Такую ЭПР имел трехгранный уголковый отражатель с квадратными гранями с ребром 410 мм, используемый в экспериментальных измерениях. Расстояние от РЛС до знака 3 км.
Высота антенны РЛС над уровнем моря Н = 15 м, угол скольжения 9 = 0.29°. Поляризация РЛС - горизонтальная, длина волны электромагнитного поля X = 3.18 см. Средне-квадратическое отклонение ординат морских волн о 2 = 0.15 м.
При моделировании зависимостей ЭПР от времени (см. рис. 2) высота знака навигационного ограждения принимала дискретные значения, характерные для реальных условий наблюдения. Высота 1.7 м (рис. 2, а) соответствует знаку, ограждающему фарватер канала; высота 2.6 м (рис. 2, б) - морскому бую с установленным на нем уголковым отражателем; высоты 4.8 м (рис. 2, в) и 5.6 м (рис. 2, г) - береговым знакам.
Анализ кривых на рис. 2 показывает, что при прочих равных условиях высота знака существенно влиянет на его фактическую (с учетом влияния подстилающей поверхности) ЭПР. Если известны остальные параметры задачи (например, при движении по фарватеру), можно подобрать оптимальные высоты знаков навигационного ограждения с точки зрения максимизации их ЭПР и, соответственно, увеличения дальности обнаружения.
Гистограммы ЭПР знака, построенные по 1500 отсчетов флуктуаций, приведены на рис. 3, а-г. Высоты знаков для рис. 3, а-г соответствуют высотам на рис. 2, а-г.
Для проверки достоверности разработанной математической модели проведено сопоставление данных, полученных с помощью выражения (1), с данными экспериментальных измерений в реальных условиях, когда трасса распространения электромагнитных волн пролегает
W -10'
И
12 13 14 о -10-4, м2
W -10'
ДМ
700 800 900 О м2
W -10'
_П
я
я
1.4
1.5
1.6
О-10-4, м2
W -10'
0
3.325 3.35
3.375
г
3.4 о -10 3, м2
Рис. 3
6
6
3
3
0
0
б
а
6
6
3
3
0
в
ст-10-4, м2
ст-10-4, м2
0.6
1.2
0
0.6
1.2
0
1.3 1.9 2.5 3.1 И, м Рис. 4
4.1
4.8
Рис. 5
5.5
К, м
вблизи взволнованной морской поверхности. При моделировании входящих в формулу (2) когерентного и некогерентного коэффициентов отражения электромагнитных волн статистически шероховатой поверхностью моря использованы методики, описанные в работах [7] и [8].
С целью всестороннего учета влияния многолучевых механизмов распространения радиоволн в приводном канале на ЭПР знака навигационного ограждения сравнение указанных данных выполнено для случая изменения его высоты И над уровнем моря.
Результаты сравнения данных моделирования флуктуаций ЭПР знака с экспериментальными данными иллюстрируют рис. 4 и 5.
В натурных условиях уголковый отражатель перемещался по высоте от 1.3 до 3.6 м (рис. 4) и от 4.15 до 6.25 м (рис. 5), поэтому моделирование изменения ЭПР знака выполнено также для указанных высот.
Сплошной линией на рис. 4 и 5 представлены выборочные реализации ЭПР, полученные экспериментально. Штрихпунктирная линия соответствует средней ЭПР как для экспериментальных измерений, так и для моделирования. Две штриховые линии ограничивают область изменения ЭПР знака при моделировании, доверительная вероятность попадания данных в которую по совокупности реализаций составила 95%. Очевидно, что данные моделирования находятся в согласии с экспериментальными данными.
Таким образом, представлена методика моделирования флуктуаций ЭПР знаков навигационного ограждения в радиолокационном тренажере, позволяющая учитывать мно-голучевый характер распространения электромагнитных волн на границе раздела "воздух - взволнованная морская поверхность". Сравнение данных, полученных моделированием, с данными экспериментальных измерений в натурных условиях показало их хорошее совпадение, что подтверждает адекватность предложенных математических моделей.
1. Андреев А. Ю., Леонтьев В. В. Радиолокационные отражатели и безопасность на море // Судостроение за рубежом. 1991. № 9. С. 40-53.
2. Леонтьев В. В. Применение радиолокационных тренажеров для обеспечения экологической безопасности судовождения // Промышленная экология-97: докл. науч.-практ. конф. Санкт-Петербург, 12-14 нояб. 1997 г. С. 378-380. (Первый междунар. промышл. конгресс в рамках программы выставок "Промэкспо-97" и "Энергетика и электротехника-97".)
3. Леонтьев В. В., Паутов В. В. Радиолокационные тренажеры и безопасность судовождения // Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности: сб. докл. и тез. докл. Санкт-Петербург, 20-22 мая 1997 г. / МЦЭНТ. СПб., 1997. Т.3. С. 81-84. (II Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием.)
4. Бородин М. А., Леонтьев В. В. Радиолокационные тренажеры и обеспечение безопасности судовождения // Наукоемкие и инновационные технологии в решении проблем прогнозирования и предотвращения
Список литературы
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2010. Вып. 1======================================
чрезвычайных ситуаций и их последствий: мат-лы науч.-практ. конф. Санкт-Петербург, 14-15 нояб. 2008 г. С. 76-80. (Цели развития тысячелетия и инновационные принципы устойчивого развития арктических регионов России: Всерос. конгресс.)
5. Леонтьев В. В., Виноградов В. А., Паутов В. В. Моделирование эхо-сигналов судовых радиолокационных станций // Судостроение. 1997. № 5. С. 52-54.
6. Леонтьев В. В., Виноградов В. А., Паутов В. В. Моделирование процесса отражения сантиметровых радиоволн объектом, расположенным вблизи взволнованной морской поверхности // Радиотехника и электроника. 1999. Т. 44. № 12. С. 1441-1444.
7. Бородин М. А., Леонтьев В. В. Когерентное поле, рассеянное шероховатой поверхностью в зеркальном направлении при скользящих углах облучения // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2009. Вып. 5. С. 64-70.
8. Леонтьев В. В. Феноменологическая теория рассеяния радиоволн морскими объектами. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2006. 216 с.
A. Yu. Andreev
Krylov shipbuilding research institute M. A. Borodin, V. V. Leontyev
Saint Petersburg state electrotechnical university "LETI"
Navigation reflector RCS fluctuations modeling in radar simulator
The model of navigation reflector radar cross section fluctuation for radar simulator is presented. The modeled data compared with results of experiment in nature environment.
Radiolocation, modeling, radar reflector, radar cross section, radar simulator
Статья поступила в редакцию 11 ноября 2009 г.
