Моделирование отражения радиолокационного сигнала от морской поверхности Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 621.396.62

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОТРАЖЕНИЯ РАДИОЛОКАЦИОННОГО СИГНАЛА ОТ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Е.И. Минаков, А.В. Мешков, А.В. Полынкин

Исследуется отражение радиолокационного сигнала от взволнованной морской поверхности на основе модели, использующей частотный спектр Пирсона - Московита и модель GIT (Georgia Institute of Technology) удельной ЭПР морской поверхности. Приводятся результаты моделирования, выполненного в среде MatLab.

Ключевые слова: радиолокационный сигнал, морская поверхность, спектр Пирсона - Московица, модель GIT.

При работе радиолокационных систем (PJ1C) по надводным целям основными помехами, ухудшающими качество обнаружения, являются отражения зондирующего сигнала от взволнованной морской поверхности. Для исследования влияния состояния морской поверхности на уровень этих отражений разработана математическая модель, реализованная в системе MatLab.

Взволнованную морскую поверхность можно рассматривать как суперпозицию бесконечного числа элементарных волн с различными амплитудами, частотами, направлениями распространения и случайными фазами, равномерно распределёнными в интервале от 0 до 2п [1]. Амплитуда волнения определяется выражением

u(x,y,t) = J Jд/2 • 0) • ¿/со • ¿/0 • sin(k • (.Xcos(e) + уsin(e))- cot + e), (1) 0 0

где S(co,0) - двумерный энергетический спектр волнения; со - частота элементарной волны, рад/с; G - направление распространения элементарной волны, рад; k - волновое число, рад/с; г - случайная фаза, рад.

Волновое число вычисляется по формуле

8

где g - ускорение свободного падения.

Двумерный энергетический спектр представляется произведением

5(00,0) = 0(0), где 5(со)-частотный спектр; 0(0) — угловой спектр.

Для частотного и углового спектров существует довольно много аппроксимирующих представлений, различающихся степенью общности и точностью оценки. На практике наиболее часто используются представления Пирсона - Московица (частотный спектр) и Дарбишайра (угловой спектр) [1].

Частотная зависимость спектра Пирсона - Московица имеет вид

2 (

5 (со) = —• ехр со'

^макс

СО у

У

где а = 8,1-10 3 и (3 = 0,74 - параметры аппроксимации; со^^ - частота составляющей спектра с максимальной амплитудой, которая при известной скорости ветра V

0) =1 шмакс у -

Угловой спектр Дарбишайра рассчитывается по формуле

лл/л ^ 0,11471 у где Оо - угол между направлением зондирования и направлением ветра.

Для численного расчета выражение (1) преобразуется к виду

Л^со^е _

их у ~ X X С1 • АсоАО • ът(к • (хсо8(0) + у + г),

/>=1<7=1

где ТУф - количество составляющих частотного спектра; - количество составляющих углового спектра; - матрица энергетического спектра;

3 СО 2 д^ - —макс _ шаг по часхохе рад/с; А6 =-- шаг по углу, рад.

Предварительные расчеты позволили для величин Л^ и установить следующие значения: Л/^ = 64, = 20.

Значение граничной частоты для частотного спектра ¿(со) выбрано равным Зсомакс, т.к. при более высоких частотах амплитуды спектральных составляющих практически равны нулю.

При зондировании морской поверхности возможно затенение некоторых участков волнения ближайшими к ним волнами с большей амплитудой. Для исключения отражений от таких участков их ЭПР принималась равной нулю. На рис. 1 показано сечение реализации профиля морской поверхности с пояснением явления затенения участка на дальности 950 м для случая высоты установки антенны, равной 20 м.

Сигнал, поступающий в приемную антенну, является суммой парциальных сигналов, отражённых от каждого незатенённого участка морской поверхности с учетом временного запаздывания

л 2К

с

где Я - расстояние до незатенённого участка морской поверхности, м; с - скорость света, м/с.

Дальность, м (у)

Рис. 1. Затенение участка морской поверхности на дальности 950 м

Для вычисления удельной ЭПР морской поверхности использована математическая модель GIT (Georgia Institute of Technology). Для диапазона рабочих частот от 1 до 10 ГГц эта модель имеет следующий вид [2]:

s 0 = 10 • log (з,9 • 10 -6 •If g4 • Ai • Au • Aw ) где fgr - угол скольжения, рад; Aj - параметр, учитывающий многолуче-вость и интерференцию; Au - параметр, учитывающий направление ветра; Aw - параметр, учитывающий состояние взволнованной морской поверхности.

Параметр, учитывающий многолучевость и интерференцию, рассчитывается по формуле

.4

Aj =

_ °Ф

1 + s

4

ф

где Оф - коэффициент, описывающий шероховатость морской поверхности и определяемый выражением

Оф = (14,4.1 + 5,5)Ф■ "АУ

где средняя высота волны

l

log (Г /8,67 ) 0,4

Ьау = 10

Параметр, учитывающий направление ветра:

Аи = ехр (о,2 ■ сов(е 0) ■ (1 - 2,8 • ф )• (1 + 0,02)- 0,4 где е0 - угол между направлением зондирования и направлением ветра, рад.

Параметр, учитывающий состояние взволнованной морской поверхности, рассчитывается по формуле

166

=

1,94 • V

1,1

V

(1+0,015)°,4 1 + V/15,4, '

После усиления, выделения комплексной огибающей и согласованной фильтрации формируются каналы дальности. Скоростные каналы в каждом дальностном канале формируются применением дискретного преобразования Фурье.

При численном расчете использованы значения параметров, приведенные в таблице.

Значения параметров модели, используемые при расчете

Параметры сигнала

Тип сигнала Радиоипульс

Несущая частота, / 3 ГГц

Количество импульсов в пачке 32

Период следования импульсов, Т 3.1 мс

Длительность импульса, т 0.2 мкс

Параметры РЛС

Импульсная мощность излучения, Р 5 кВт

Коэффициент усиления антенны, О 510

Высота установки антенны, И 20 м

Ширина ДН, Л0 А 60

Размеры моделируемого участка морской поверхности

Ширина , Хтах 30 м

Длина, Утах 1000 м

Параметры цели 1

Дальность 400 м

Скорость 0.5 м/с

ЭПР 10

Параметры цели 2

Дальность 600 м

Скорость 5 м/с

ЭПР 10

Ниже приведены некоторые результаты моделирования. На рис. 2 представлены энергетические спектры морского волнения при скоростях ветра 2 и 7 м/с, угол между направлением зондирования и направлением ветра 0О равен 45°.

а

Угол, рад

10.25 0.2 0.15

Рис. 2. Энергетический спектр морского волнения: а - при скорости ветра 2 м/с; б - при скорости ветра 7 м/с

На рис. 3 изображены участки морской поверхности при скорости ветра 2 и 7 м/с.

о -1 1=1000

Рис. 3. Участки морской поверхности: а - при скорости ветра 2 м/с; б - при скорости ветра 7 м/с

168

На рис. 5 и 6 представлены доплеровские спектры дальностных каналов при скоростях ветра 2 и 7 м/с. Один канал дальности соответствует интервалу длиной 30 м, один канал доплеровского спектра соответствует интервалу значений скорости 1м/с.

■12 -6 -4 0 4 8 12

Номер канала скорости

Рис. 5. Амплитуда доплеровского спектра каналов дальности

при скорости ветра 2 м/с

■12 -8 -4 0 4 8 12

Номер канала скорости

Рис. 6. Амплитуда доплеровского спектра каналов дальности

при скорости ветра 7 м/с

Анализ результатов моделирования позволяет сделать следующие выводы

1. При малых скоростях ветра V £ 2 м/с (до 2 баллов по шкале Бофорта) амплитуда помех, создаваемых взволнованной морской поверхностью, достаточно мала по сравнению с амплитудой сигнала цели, что дает возможность обнаруживать неподвижные и малоскоростные цели.

2. При больших скоростях ветра V > 7 м/с (более 4 баллов по шкале Бофорта) амплитуда создаваемых помех значительно возрастает и обнаружение неподвижных и малоскоростных (скорость менее 1 м/с) целей РЛС с параметрами сигнала, используемыми при моделировании, становится невозможным.

3. Качество обнаружения при скоростях ветра 2 < V < 7 м/с зависит от величины ЭПР цели.

Список литературы

1. Абузяров З. К. Морское волнение и его прогнозирование. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 162 с.

2. Ward K., Tough R., Watts S. Sea clutter: scattering, the K distribution and radar performance. 2nd ed. Croydon.: CPI Group Ltd, 2013. 562 p.

Минаков Евгений Иванович, д-р техн. наук, проф., EMinakov@,bk.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Мешков Александр Владимирович, асп., aleksmeshkovtula@yandex. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Полынкин Александр Викторович, канд. техн. наук, доц., avipolatula.net, Россия, Тула, Тульский государственный университет

MODELING OF THE RADAR SIGNAL SEA BACKSCATTERING E.I. Minakov, A. V. Meshkov, A. V. Polynckin

The radar signal sea backscattering, based on the Pierson-Moskowitz frequency spectrum and the model GIT (Georgia Institute of Technology) of relative RCS, is investigated. The results of the realized in MatLab simulation are given.

Minakov Evgeniy Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

Meshkov Aleksandr Vladimirovich, postgraduate, aleksmeshkovtula@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Polynckin Aleksandr Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Tula, Tula State University