CC BY-NC
108
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-4-394-143-146 УДК 621.396.96
А.Ю. Андреев, С.О. Засухин, И.А. Шихов
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Санкт-Петербург, Россия
РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ПОРТРЕТЫ И ЭФФЕКТИВНАЯ ПЛОЩАДЬ РАССЕЯНИЯ МОРСКИХ ОБЪЕКТОВ
Объект и цель научной работы. Приведены результаты экспериментальных исследований радиолокационного отражения от морских объектов. Рассмотрены измерения эффективной площади рассеяния (ЭПР) и радиолокационных 2D-портретов в натурных условиях с использованием метода инверсной синтезированной апертуры. Материалы и методы. Измерения выполнялись в натурных условиях с использованием радиолокационного измерительного комплекса Х-диапазона. ЭПР измерялась при излучении импульса длиной более размера объекта, для получения 2D-портретов использовался импульс длиной около 1 м.
Основные результаты. Выполнено качественное и количественное сопоставление результатов измерений с использованием «длинного» и «короткого» импульсов, а также оценка типа статистического распределения ЭПР морского объекта.
Заключение. Проведенные экспериментальные исследования позволили подтвердить ранее предложенную теорию о связи средней ЭПР объекта и суммы ЭПР всех его локальных источников. Также экспериментально подтверждена близость статистического распределения ЭПР морского объекта к логарифмически нормальному распределению.
Ключевые слова: морская радиолокация, эффективная площадь рассеяния, ИСАР, логарифмически нормальное распределение.
Авторы заявляют об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2020-4-394-143-146 UDC 621.396.96
A. Andreev, S. Zasukhin, I. Shikhov
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
RCS MEASUREMENTS AND RADAR IMAGING OF MARINE OBJECTS
Object and purpose of research. This paper discusses the results of experimental studies in radar imaging of marine objects, as well as the measurements of radar cross-section (RCS) and 2D radar portraits in natural conditions as per integrated synthetic aperture radar (ISAR) approach.
Materials and methods. The measurements were carried out in full-scale conditions using an X-band instrumentation radar. RCS measurements were performed with radar pulse length exceeding the size of an object; the impulse with a length of about 1 m was used to obtain 2D portraits.
Main results. A qualitative and quantitative comparison of the measurement results with the use of "long" and "short" pulses, as well as the type assessment of statistical RCS distribution of marine object.
Conclusion. The studies made it possible to confirm the previously proposed theory that average RCS of a marine object may be derived through RCS summation of all its local sources. The closeness of the statistical RCS distribution for a marine object to the lognormal distribution was also experimentally confirmed. Key words: marine radar, RCS, ISAR, lognormal distribution. The authors declare no conflicts of interest.
Для цитирования: Андреев А.Ю., Засухин С.О., Шихов И.А. Радиолокационные портреты и эффективная площадь рассеяния морских объектов. Труды Крыловского государственного научного центра. 2020; 4(394): 143-146. For citations: Andreev A., Zasukhin S., Shikhov I. RCS measurements and radar imaging of marine objects. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2020; 4(394): 143-146 (in Russian).
Радиолокационные станции являются основным средством обнаружения морских объектов на больших дальностях. В связи с этим исключительно актуальна задача измерения отраженного судном радиолокационного поля, количественно характеризуемого радиолокационной эффективной площадью рассеяния. Интегральная эффективная площадь рассеяния (ЭПР, Total Radar Cross-Section - RCS), получающаяся при локации морского объекта длинным импульсом (когда длина импульса сопоставима с его длиной), измеряется с 40-х гг. прошлого века [1]. Благодаря работам, проведенным за следующие 40 лет, были построены первые стелс-корабли - как у нас в 80-х гг. (крейсер «Киров» [2]), так и за рубежом в 90-х гг. [3].
В новом веке радиолокационные станции «научились» идентифицировать морские объекты по расположению отражателей на палубе. Появились измерительные радары с высоким разрешением - лучше 1 м по координатам «дальность - азимут» [4, 5]. Это позволяет существенно повысить безопасность судоходства, например отличить айсберг от судна.
Теоретическая связь между ЭПР объекта и его радиолокационным портретом (состоящим из N локальных источников) описана в работах сотрудников Крыловского государственного научного центра (КГНЦ) [6, 7] и публикациях зарубежных корифеев радиолокации [8, 9]: средняя ЭПР объекта в секторе ракурсов Дф равна сумме в этом секторе средних ЭПР всех локальных источников си:
N
а = 2 а„ (Дф). (1)
П=1
Экспериментальных подтверждений этой теории, особенно для таких сложных объектов, как суда на морской поверхности, ранее не существовало. Впервые они получены при измерениях прогулочного катера «Ярославец» [10], внешний вид которого приведен на рис. 1 (см. вклейку).
Разработанные в КГНЦ измерительные радиолокационные комплексы позволяют измерять как ЭПР морских объектов, так и их радиолокационные портреты, получаемые с использованием инверсного синтеза апертуры (ИСАР-процедура) [4]. При этом синтез выполняется в некотором секторе ракурсов, ширина которого обычно ~1°. Таким образом, можно сравнить в таком секторе среднюю ЭПР морского объекта и суммарную ЭПР его локальных источников для проверки соотношения (1).
При измерениях ЭПР получается полярная диаграмма - зависимость уровня сигнала в приемнике от ракурса (рис. 2, см. вклейку). При этом используется длинный зондирующий импульс - больше, чем длина морского объекта. А для измерения радиолокационных ИСАР-портретов, наоборот, импульс делается как можно короче, обычно длиной 0,5-1 м. В результате измерения радиолокационных портретов получается распределение локальных источников «по палубе» (на «виде сверху» теоретического чертежа). На рис. 3 (см. вклейку) показан такой ИСАР-портрет иностранного фрегата [11], синтезированный на ракурсе 135° правого борта в секторе шириной 1°. Этот сектор синтеза показан голубым цветом на рис. 2.
Измерения прогулочного катера «Ярославец» выполнялись при трех циркуляциях на одной дальности: на двух из них ЭПР измерялась при зондировании длинным импульсом, а на одной (последней) - коротким импульсом длиной 1 м. По результатам последних измерений можно просуммировать ЭПР локальных источников на катере, полученных в результате ИСАР-интегрирования в секторе шириной 1,6°, а потом сравнить полученную сумму от локальных источников со средней ЭПР в этом секторе на первых двух циркуляциях (как в голубом секторе на рис. 2).
Указанная операция была проделана для циркуляции с синтезом портретов катера «Ярославец» в секторах шириной 1,6°. Для двух циркуляций, на которых измерялась ЭПР длинным импульсом, было выполнено усреднение полученных значений в тех же секторах с шагом 1,6° (рис. 4, см. вклейку). Можно видеть, что ЭПР на двух последовательных циркуляциях (интервал между измерениями 10 мин.) при измерениях длинным импульсом практически не различаются.
Сравнение полученных результатов для ЭПР (усреднение по двум циркуляциям, приведенным на рис. 4) и суммы отражений от локальных источников на ИСАР-портретах катера приведено на рис. 5 (см. вклейку).
Можно видеть хорошее количественное и качественное совпадение двух кривых. Сумма локальных источников также для большинства ракурсов близка к значениям измеренной ЭПР. Средние значения на циркуляции (в секторе 0-360°) для диаграмм на рис. 5 отличаются менее чем на 10 %.
Выполненные измерения позволяют также оценить гипотезу о логарифмически нормальном распределении ЭПР морских объектов [12, 13]. На всех вышеприведенных рисунках значения ЭПР показа-
Рис. 1. Прогулочно-разъездной катер «Ярославец»
Fig. 1. Pleasure boat Yaroslavets
Рис. 2. Полярная диаграмма эффективной площади рассеяния и сектор интегрирования при ракурсе 225° (голубой, ширина 1°), для которого получен ИСАР-портрет, приведенный на рис. 3
Fig. 2. Pdar RCS diagram
arid the integration sector
at an angle of 225° (blue, width 1°),
for which the 1SAR portrait
is obtained, shown in Fig. 3
m
ракурс, градус
Рис. 3. ИСАР-портрет зарубежного фрегата: ракурс 135°, угол места 0,1°, волнение моря 2 балла
Fig. 3. ISAR portrait of a fcreign
frigate: angle 135°,
position angle 0.1°, sea state 2
IJ
тмершельтП I радиолокационным I комплекс
Hoc
Правый Борт
Корма ракурс
Левый Борт
Нос
Рис. 4, Зависимость от ракурса средней эффективной площади рассеяния катера для двух последовательных циркуляций с интервалом 10 мин. Ширина сектора усреднения 1,6°
Fig. 4. Average RCS versus measurement angle of a fast craft performing two successive turning circles with an interval of 10 minutes. Averaging sector width 1.6°
ИСАР ЭПР, ДБ
- 1
\
г J w%J
Hoc
Правый Борт
Корма ракурс
Левый Борт
Рис. 5. Зависимость от ракурса суммы локальных истснников на ИСАР-портрете катера и его средней эффективной площади рассеяния (локация длинным импульсом). Ширина сектора интегрирования 1,6°
Fig. 5. Local RCS sum versus measurement angle: ISAR portrait of the fast craft and its average RCS (Icng-pulse location). Integration sector width 1.6°
Hoc
o.os
0.06
0.04
/
/
\
\
частота на циркуляции
X
нормальное распределение
/
0.02
/
10
15
20
25 30
ЭПР, дБ
35
40
45
Рис. 6. Гистограмма эффективной площади рассеяния на циркуляции и подобранная кривая плотности вероятности нормального распределения
Fig. 6. RCS histogram fcr the boat performing a turning-cirde maneuver and fitted curve of probability density with normal distribution
ны в дБ, т.е. для удобства презентации логарифмическое преобразование вида
x = 10 log(c) (2)
уже выполнено.
Оценки двух параметров нормального распределения - выборочного среднего значения m и выборочного среднего квадратичного отклонения s -
находятся по формулам 1 L
т = -£ x; (3) L i=i
s• <4)
где L - длина выборки.
На рис. 6 (см. вклейку) приведена гистограмма значений ЭПР (в дБ) для одной из циркуляций и график плотности нормального распределения вероятности с параметрами, подобранными для него по формулам (3) и (4).
Проверка по критерию Колмогорова - Смирнова (при уровне значимости 0,05) [14] подтвердила гипотезу о логарифмически нормальном законе распределения ЭПР на полной циркуляции.
Таким образом, экспериментально подтверждены две гипотезы о возможности:
■ суммирования средних ЭПР «блестящих точек»;
■ использования логнормального распределения для описания статистик ЭПР морских целей.
Список использованной литературы
1. WilkesM.V., RamsayJ.A. A Theory of the performance of radar of ship targets // Mathematical Proceedings of the Cambridge Philosophical Society. 1947. Vol. 43, №2, p. 220-231. DOI: 10.1017/S0305004100023409.
2. Fujiki H. Ship defense from enemy radars // Ships of the World. 1982. № 315. P. 74-77.
3. Lok J.J. Stealthy frigate with a high profile // Jane's Navy International. 1996. Vol. 101, № 8. P. 39-47.
4. Андреев А.Ю., Засухин С.О., Шихов И.А. Измерения радиолокационных портретов морских объектов с высоким разрешением в натурных условиях // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 2012. Вып. 68(352). С. 91-97.
5. Essen H. et al. ISAR imaging of helicopters using millimeter wave radars // International Journal of Microwave and Wireless Technologies. 2009. 1(3). p. 171-178.
6. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. Москва: Советское радио, 1975. 225 с.
7. Штагер Е.А., Чаевский Е.В. Рассеяние волн на телах сложной формы. Москва: Советское радио, 1974. 130 с.
8. KnottE.F., ShaefferF.J., TuleyM.T. Radar cross section. 2nd ed. Raleigh: SciTech Publishing, 2004. XIV, 611 p.
9. Radar cross section handbook: [2 vol.] / George T. Ruck [et al.]. New York: Plenum Press, 1970, 949 p.
10. Андреев А.Ю., Засухин С.О., Шихов И.А. Перспективные мобильные комплексы контроля полей кораблей в верхней полусфере // Труды ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова. 2016. Вып. 92(376). С. 303-310.
11. Radar Reflectivity Measurements: techniques and applications / Ed. N.C. Currie. Norwood: Artech House, 1989. XVI, 753 p.
12. Shi W., ShiX-W., Xu L. RCS Characterization of stealth target using chi-square distribution and lognormal distribution // Progress in Electromagnetics Research M. 2012. Vol. 27. P. 1-10. DOI: 10.2528/PIERM12091212.
13. Математическая статистика / [Сост.: О.К.Дударев, Т.А. Кустицкая,Е.В. Овчинникова]. Красноярск: Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т, 2016. 103 c.
References
1. M. Wilkes, J. Ramsay. A Theory of the performance of radar of ship targets // Mathematical Proc. of the Cambridge Philosophical Society. 1947. Vol. 43, № 2. P. 220-231. DOI: 10.1017/S0305004100023409.
2. H. Fujiki. Ship defense from enemy radars // Ships of the World. 1982. № 315. P. 74-77.
3. J. Lok. Stealthy frigate with a high profile // Jane's Navy International. 1996. Vol. 101, № 8. P. 39-47.
4. A. Andreev, S. Zasukhin, I. Shikhov. Measurements of high-resolution radar portraits of sea objects in natural conditions // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2012. No. 68(352). P. 91-97 (in Russian).
5. H. Essen et al. ISAR imaging of helicopters using millimeter wave radars // International Journal of Microwave and Wireless Technologies. 2009. 1(3). P. 171-178.
6. V. Kobak. Radar reflectors. Moscow: Soviet radio, 1975. 225 p. (in Russian).
7. E. Shtager, E. Chaevsky. Scattering of waves on bodies of complex shape. Moscow: Soviet radio, 1974. 130 p. (in Russian).
8. E. Knott, F. Shaeffer, M. Tuley. Radar cross section. 2nd ed. Raleigh: SciTech Publishing, 2004. XIV, 611 p.
9. Radar cross section handbook: [2 vol.] / G.T. Ruck [et al.]. New York: Plenum Press, 1970, 949 p.
10. A. Andreev, S. Zasukhin, I. Shikhov. Prospective mobile complexes for monitoring ship fields in the upper hemisphere // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2016. No. 92(376). P. 303-310 (in Russian).
11. Radar Reflectivity Measurements: techniques and applications / Ed. N.C. Currie. Norwood: Artech House, 1989. XVI, 753 p.
12. W. Shi, X-W. Shi, L. Xu. RCS Characterization of stealth target using chi-square distribution and lognormal distribution // Progress in Electromagnetics Research M. 2012. Vol. 27. P. 1-10. DOI: 10.2528/ PIERM12091212.
13. Mathematical statistics / [Compiled by О. Dudarev, T. Kustitskaya, E. Ovchinnikov]. Krasnoyarsk: Siberian State Aerospace University, 2016. 103 p. (in Russian).
Сведения об авторах
Андреев Александр Юрьевич, начальник лаборатории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (921) 560-73-90. E-mail: andre-alex@yandex.ru.
Шихов Илья Артурович, научный сотрудник ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес:
196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (921) 956-11-95. E-mail: ilyashikhov@mail.ru. Засухин Сергей Оттович, начальник стенда 74 лаборатории ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44. Тел.: +7 (901) 316-16-68. E-mail: serg06890@rambler.ru.
About the authors
Alexander Y. Andreev, Head of the Laboratory, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (921) 560-73-90. E-mail: andre-alex@yandex.ru.
Ilya A. Shikhov, Research Engineer, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (921) 956-11-95. E-mail: ilyashikhov@mail.ru.
Sergey O. Zasukhin, Head of the facility 74 of the Laboratory, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoe sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (901) 316-16-68. E-mail: serg06890@rambler.ru.
Поступила / Received: 13.08.20 Принята в печать / Accepted: 24.11.20 © Коллектив авторов, 2020
