Радиолокационный контраст основных технических средств системы управления движением судов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396.96

РАДИОЛОКАЦИОННЫЙ КОНТРАСТ ОСНОВНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ДВИЖЕНИЕМ СУДОВ

Тюфанова А.А., к.т.н., доцент, ФГБОУ ВО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф. Ушакова», e-mail: alina.34@

mail.ru

В статье рассмотрено явление радиолокационного контраста и его влияние на эксплуатацию основных технических средств системы управления движением судов.

Ключевые слова: контраст, рассеяние, электромагнитная волна, радиолокационная станция, система.

THE RADAR-TRACKING CONTRAST MAIN TECHNICAL EQUIPMENT VESSEL'S

TRAFFIC SERVICE

Tyufanova A., Ph.D., assistant professor, FSEIHE «Admiral Ushakov Maritime State University», e-mail: [email protected]

The article deals with the phenomenon of a radar-tracking contrast and its effect on the operation of main technical equipment Vessel's traffic service.

Keywords: contrast, dispersion, an electromagnetic wave, a radar station, system.

Проблема повышения уровня эксплуатационной надежности технических средств системы управления движением судов (СУДС) в настоящее время является актуальной, ибо повышение эффективности эксплуатации портов, флота и обеспечение чистоты среды немыслимо без технического, методического и организационного совершенствования береговых СУДС, оборудованных современными средствами радиолокации, связи, телевидения и программно-аппаратными комплексами.

Основными техническими средствами, обеспечивающими получение, обработку, отображение и регистрацию информацию о судоходной и навигационной обстановке и взаимодействию с судами являются:

- береговые радиолокационные станции (БРЛС), включая установленные на прибрежных инженерных сооружениях;

- средства автоматической информационной (идентификационной) системы (АИС);

- средства обработки, отображения и регистрации информации.

В СУДС АИС используется, как оборудование, дополняющее БРЛС, т.е. оператор на оперативно-дисплейном модуле (ОДМ) получает интегрированные данные АИС и радиолокационного сопровождения, которые основываются на корреляции двух видов данных о местоположении, путевом угле и путевой скорости судна в интервале времени. Принятый сигнал поступает на системы первичной и вторичной обработки БРЛС, после чего на экране ОДМ формируется радиолокационное изображение (радиолокационная карта) [1].

Анализ статистических данных отказов, на примере СУДС порта Новороссийск, показал, что для береговых радиолокационных станций (БРЛС) и автоматической идентификационной системы (АИС) характерны программные и программно-аппаратные отказы, которые приводят к потере работоспособности СУДС в процессе эксплуатации. Последствиями таких отказов стали [2]:

- сброс целей на оперативно-дисплейном модуле (ОДМ);

- БРЛС не осуществляла захват целей, т.е. не выдавала их координат;

- АИС не захватывала цели, т.е. не выдавала их координат;

- отсутствие информации о местонахождении судов из-за отказа интегратора.

Следует отметить, что подобные отказы возможны при эксплуатации любой СУДС.

Кроме того, с учетом волнового и ветрового режимов, БРЛС, расположенные в зоне действия СУДС порта Новороссийск, фиксируют ошибочные измерения, что отражено на фрагменте реального радарного видео (рис.1), т.е.:

- видны размытые цели, что затрудняет определение местоположения судов на якорных стоянках;

- наложение целей в районе нефтегавани "Шесхарис";

- появление ложных целей в районе №670, который является зоной безопасности рейдовых причалов Каспийского трубопроводного консорциума (нефтетерминала).

Однако в [1] отмечено, что такие ошибочные измерения возможны в процессе эксплуатации БРЛС любой СУДС.

Оператор СУДС является частью системы вторичной обработки сигнала и на основе визуального анализа отображаемой на экране информации принимает решение по обнаружению, распознаванию и определению координат радиолокационного объекта (РЛО). Вследствие чего, ошибки, перечисленные выше, в значительной степени затрудняют контроль за обстановкой в зоне действия СУДС, что может привести к аварийной ситуации (происшествию), т.к. оператор не сможет правильно принять оперативное управленческое решение.

Эффективность работы рассматриваемого человеко-машинного интерфейса определяется не только совершенством устройства индикатора и качеством отображения на нём радиолокационной информации, но и субъективными качествами оператора: его опытом, способностью к быстрой оценке поступающих данных и оперативному принятию правильных (адекватных) решений, а также свойствами его зрительной системы (чёткостью и контрастной чувствительностью зрения) [3], которые обусловлены особенностью формирования радиолокационной карты на экране ОДМ, т.е. различие двух соседних разрешаемых объёмов определяется различием яркости свечения соседних элементов (пикселей) изображения.

Для обнаружения различия двух соседних пикселей радиолокационного изображения, соответствующих двум соседним разрешаемым объемам БРЛС, с мало различающимися яркостями, оператор СУДС должен обладать чётким, высокочувствительным контрастным зрением. Однако, в условиях продолжительной работы оператор вынужден сильно напрягать свое зрение, что влечет падение его работоспособности и негативно сказывается на здоровье. К тому же имеют место случаи, когда два соседних пикселя радиолокационного изображения имеют одинаковые яркости, хотя соответствующие им РЛО абсолютно не идентичны друг другу по физическим параметрам, или когда сосредоточенный малоразмерный РЛО находится на фоне подстилающей поверхности (рис.1). В обоих случаях оператор физически не способен отличить два РЛО, что приводит его к ошибочному заключению о существовании только одного объекта вместо двух либо об отсутствии цели.

Радиолокационный контраст двух соседних пикселей на экране ОДМ пропорционален отношению энергий, рассеянных двумя РЛО зондирующих радиолокационных сигналов. Эти величины определяются эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР) РЛО и если они равны, то разрешение соседних целей на экране невозможно. Если два соседних РЛО имеют различные физические и геометрические параметры, то в случае равенства их ЭПР разрешение этих объектов должно быть выполнимо с использованием каких-то других параме-

Рис.1 - Реальное радарное видео зоны действия СУДС порта Новороссийск при отсутствии осадков, скорости ветра 2-3м/с, волнении

моря 2 балла

тров рассеянной волны, к которым относятся неэнергетические (поляризационные) или допплеровские параметры. Однако, рассеянная электромагнитная волна несёт информацию не только о цели, но и о фоне, на котором эта цель расположена.

Следовательно, задача повышения наблюдаемости РЛО в ситуации "цель на подстилающем фоне" сводится к увеличению радиолокационного контраста, который представляет собой комбинацию двух контрастов: энергетического на основе ЭПР и поляризационного на основе некоего параметра, характеризующего поляризационные свойства цели. Причем использование радиолокационного контраста только на основе энергетических параметров отраженной от цели волны может быть неэффективным [3].

Впервые понятие радиолокационного контраста, объединяющее энергетический и поляризационный, было введено в [4]:

g

п

_ а^ 1 + дА-вт2у • 008(2Фху +у 12)_а

Пр а£р) 1 + др • вт2у • сов (2^ -у 12) о

(л) 2

( Р )

• g

пл

где Л,

п

(1)

р - плотности потоков мощности сигналов, отражённых от двух РЛО с разными матрицами рассеяния, при облучении

а

(Л)

их полностью поляризованной волной

2У

а

(р)

анизотропии по мощности;

угол между точками на сфере Пуанкаре

полные ЭПР первого и второго РЛО

2ф

т оо

Чл Чр _

степени их поляризационной

разность фаз ортогонально-поляризованных компо-

у „

нент; 12 - угол между собственными поляризационными базисами РЛО.

g

Из формулы (1) видно, что отношение есть произведение двух сомножителей , первый из которых не зависит от вида поляризации падающей волны и представляет собой отношение полных ЭПР целей, а второй, учитывающий их поляризационную анизотропию, за-

У 2ф

висит от вида поляризации облучающей волны с параметрами ( ' , ). Поэтому величина поляризационного контраста двух РЛО

определяется в виде отношения плотностей потоков мощности рассеянных сигналов и может меняться от минимального до максимального значения при изменении вида поляризации падающей волны. Тогда задача различения двух РЛО заключается в нахождении некоего поляризационного параметра облучающей электромагнитной волны, который будет максимизировать контраст соответствующих РЛО с произвольными поляризационными характеристиками.

Из выше изложенного, следует необходимость анализа поляризационных параметров с целью выделения наиболее информативного, при помощи которого могут быть эффективно разделены два РЛО с произвольными поляризационными свойствами.

Предположим, что имеется две системы координат (рис.2):

- XOY с началом координат в точке расположения РЛС 0 (при этом ось OY совпадает с основным направлением - север);

я0

- X1OY1, оси которой параллельны осям системы XOY , с началом координат, перемещающимся по дуге окружности радиуса , который соединяет начала этих координатных систем.

При перемещении системы координат X1OY1 ее оси остаются параллельными осям системы координат XOY . Начало координат системы X1OY1 является центром тяжести системы центров вторичного рассеяния случайной подстилающей поверхности, в данном случае море. Геометрические размеры этой системы соответствуют элементу пространственного разрешения БРЛС, размеры которого определяются длительностью импульса и шириной диаграммы направленности антенны БРЛС в азимутальной плоскости.

154 TRANSPORT БШШБББ Ш КШБТА | №1 2017 |

2

2

Рис. 2 - Системы координат рассеивателей

о

В режиме зондирования, при изменении угла (рис. 2) между положительным направлением оси OY и осью симметрии диаграммы

я0

направленности, ориентированной в точку О по вектору 0 , набор центров вторичного рассеяния изменяется, это обеспечивает смену их случайных реализаций.

о

Допустим, что для значения угла зондирования ° в составе рассеивающих центров элемента разрешения I (рис. 2) не имеется искус-

ственных объектов, при этом каждый из центров вторичного рассеяния т характеризуется (2х2)-матрицей рассеяния

о m

Sjl

. Вектор Джонса

поля, рассеянного отдельным центром т , в точке 0 расположения БРЛС (рассеяние носит когерентный характер), имеет вид [3]:

_ ехр(-7 2кЯт ) II лт|| ~

_ Га- п ' ' Е0

74Л ' я 11 7"

(2)

о m

Sji

Еп Em

матрица рассеяния m-го центра; и

- комплексные векторы

(3)

R T

где m - расстояние между рассеивателем m и БРЛС; излучаемой и рассеянной волн.

Из [3] для дальней зоны расстояние Rm принимает вид

Rm ~ R0 - xm • sin 6, - ym • cos 6,

m U m 1 J m 1

x y T

где m и m - координаты рассеивающего центра m в системе XjOY,.

Когерентный характер рассеяния обусловлен тем фактом, что для импульсных методов радиолокации при длительности зондирующего импульса, не превышающей 1U-6 сек, взаимное расположение центров вторичного рассеяния за это время не изменяется, но, в силу случайного расположения элементов, приводит к так называемому "спекл"-эффекту [3].

+ 1UU

Поскольку, анализ рассеянного поля производится в угловых интервалах зондирования, не превышающих _ , используем при-

sin 61 =61 cos61 = 1 Tm

ближение: 1 1, 1 . Тогда поле, рассеянное элементом , в дальней зоне примет вид

Em (6х) = exp jrl) • exp {j (2kxm6t + 2kym )} || Sj V4n • ru

а поле, рассеянное всей совокупностью отражателей:

Es (6!) = exp(-j2kRu) • t exp {j (2Шт6! + 2kym )} IISj

• r0

n=\

• En

(4)

(5)

R

Предположим, что в процессе зондирования начало координат О1 переместится по дуге радиуса 0 в позицию О2 (рис. 2). Допустим,

Т

что в разрешаемом элементе поверхности присутствуют не только случайные центры вторичного рассеяния т , но и малоразмерный

т <а7

объект st, обладающий эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР)

, т. е. не превышающей ЭПР одного из случайных

рассеивателей, тогда матрица рассеяния стабильного объекта: рассеяния со стабильным объектом примет вид

О ST Sjl

, а суммарное поле, рассеянное совокупностью случайных центров

Е8 (е2)_

_ ехР (-./ 2к#0)

>/4п • Я0

м

£ ехр [/ (2кхте 2 + у„ )}|

I т_1

Ё0 +

+

ехР [/ (1кх^2 + Ут )}||^

-*. (6)

Второе слагаемое в (6) - вектор Джонса волны, рассеянной стабильным малоразмерным объектом, размещённым на совокупном фоне центров вторичного рассеяния случайной поверхности.

ехР (- / 2кК))

44 • я0

Пренебрегая коэффициентом, обусловленным сферической волной 0 , проанализируем поляризационно-

энергетические параметры электромагнитного поля при радиолокационном зондировании случайной реализации рассеивателей.

Используя инвариантные параметры рассеянного поля, независимо от угла ориентации рассеивателя в плоскости, перпендикулярной линии визирования, то (2х2) матрицы рассеяния случайных рассеивателей задаем в диагональном виде

а. 0

о т

¿а

0 Ь

(7)

Анализ поляризационно-энергетических параметров производим в линейном поляризационном базисе, поэтому воспользуемся для

¿0 _

ал

зондирования линейно-поляризованной волной, ориентированной под углом 450 и обладающей вектором Джонса: Тогда, вектор Джонса (5) рассеянного поля примет следующий вид

¿2 (е ) =

К (е) ё 2 (е)

а42

IV!

£ ат еХР [Л (2кХте + 2кУт )]

!_1

м

£ Ьт ехр [/ (2кхте+ 2кУт )]

т_1

IV!

£ ё; (е)

!_1 м

£ ё; (е)

ч_1

(8)

Поскольку предполагается использование инвариантных поляризационно-энергетических параметров, то воспользуемся инвариант-

¿02(е) ¿з2(е)т с ¿1 ¿2

. Т. к. параметры Стокса и

ными к ориентации эллипса поляризации параметрами Стокса суммарного поля

0

¿02(е) ¿з2(е)

не являются инвариантными [4], то мгновенные значения параметров и для вектора Джонса (8):

¿2(е) _ ¿2(е)еёгСв)+¿2(е)ё2*(е) ¿2(е) _ / [¿Х(е)ё? - Ёу (е )йу\е)]

а42

Преобразуем последние соотношения, используя элементы вектора Джонса (8), при отсутствии постоянного коэффициента

м

N N

м

¿02(е)_£|¿т(е) +£ £ ё;(е)ё;*(е)+£|ё;(е)| +

т_1 т,п_1 (тФ п) т_1

+ £ £ ё; (е)ё;*(е)

т, п _1 (тФп)

¿з2(е) _ /

£ё;(е)ё;*(е) + £ £ ё;(е)ё;*(е)-

т,п_1 ( тФ п)

и_1

м

м м

т_1

Отметим, что выражение (9) может быть представлено в виде:

М N

£ ё; (е )ёхт*(е) -£ £ ё; (е)еёто )

т,п _1 (тФп)

¿02(е) _£ (е)+£[ Ё; (е) её; *(е)+ё; (е) ё; *(е) ]

т_1 к_1

(9)

(10)

(11)

здесь первое слагаемое - сумма нулевых параметров Стокса всех рассеивателей, находящихся в разрешаемом элементе, а второе -сумма произведений одноименных элементов векторов Джонса для разнесенных в пространстве рассеивателей с номерами к при условии

т Фп

. Разнесенные в пространстве рассеиватели представляют собой интерференционные пары [3]. Верхний индекс суммирования

М!

N ■

определяется количеством интерференционных пар, т.е. числом сочетаний из М рассеивателей по два: Выражение (10) приведем к виду:

2!(м - 2)!

156 TRANSPORT BUSINESS Ш RUSSIA | №1 2017 |

2

2

М N

^ (0) = £ sm (6)+ д ё; (6) ё;*(6) - ё; (е) ё"*(е) ]

:=1 к=1 (12)

где первая слагаемое - сумма третьих параметров Стокса всех элементов, входящих в разрешаемый объём БРЛС, а второе - сумма &

"взаимных" параметров Стокса 3 для тех же интерференционных пар.

Следовательно, при когерентном рассеянии параметры Стокса суммы волн, рассеянных различными элементами не могут быть определены простой суммой этих параметров.

Таким образом, управление радиолокационным контрастом дает возможность оптимизировать технические характеристики средств радиолокационного наблюдения в реальных условиях работы. Однако решение указанной задачи оптимизации является затруднительным из-за большого числа поляризационных параметров отраженных электромагнитных волн и отсутствием обоснованных подходов к оценке радиолокационного контраста. Кроме того, при решении задач радиолокационного наблюдения полезных объектов на фоне подстилающей поверхности, особенно морской, необходимо учитывать случайный характер изменения поляризационных параметров радиолокационного объекта.

Литература:

1. Временное руководство по использованию автоматической информационной (идентификационной) системы (АИС) на судах и в береговых службах. М., 2002.

2. Тюфанова, А.А. Влияние программных и программно-аппаратных отказов на передачу интегрированных данных оператору системы управления движением судов// Транспортное дело России № 4(119). - М: Морские вести России, 2015.

3. Кривин, Н.Н. Поляризационный след и поляризационный контраст малоразмерных радиолокационных объектов. Автореферат дис.. .кан. тех. наук.: Томск, 2015.

4. Богородский, В.В. Поляризация рассеянного и собственного радиоизлучения земных покровов / В.В. Богородский, Д.Б. Канарейкин, А.И. Козлов/ Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 280 с.

УДК 621.873:539.3

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИССИПАТИВНЫХ СВОЙСТВ УПРУГИХ СИСТЕМ

ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ КРАНОВ

Ведерникова Е.Л., преподаватель кафедры «Механика», ФГБОУ ВО «Государственный морской университет им. адм. Ф.Ф.Ушакова»

Увеличение мощностей грузоподъемных кранов неизбежно приводит к значительному росту вибраций, понижающих надежность работы, как отдельных узлов, так и механизма в целом. Одним из наиболее эффективных способов снижения вибраций является применение в конструкциях, подверженных воздействию динамических нагрузок, материалов с высокими вибропоглощающими свойствами. В данной работе рассмотрены существующие методы прогнозирования демпфирующих свойств материалов, определены основные параметры демпфирования вибрации на примере грузоподъемного крана. Выявлена зависимость диссипативных свойств системы при резонансе от демпфирующих характеристик материалов конструкции. В перспективе планируется экспериментальным путем с помощью иммитаци-онного моделирования определить физико-механические свойства наиболее оптимального демпфирующего материала, для использования его в узлах грузоподъемного крана, наиболее подверженных вибрациям, а также в системе ходовая часть - рельс.

Ключевые слова: диссипация энергии, демпфирование, амплитуда, резонанс, грузоподъемный кран.

THE STUDY OF DISSIPATIVE PROPERTIES OF THE ELASTIC SYSTEMS OF CRANES

Vedernikova E., lecturer of the Mechanics chair, FSEI HE «Admiral Ushakov Maritime State University»

Increase the capacity of cranes inevitably leads to a significant increase in vibrations reduce the reliability as separate units, and the mechanism as a whole. One of the most effective ways to reduce vibration is the use in structures exposed to dynamic loads, materials with high vibration-absorbing properties. In this paper, the existing methods ofpredicting the damping properties of materials, the main parameters of the damping of vibrations on the example of crane. The dependence of the dissipative properties of the system at resonance from the damping characteristics of the materials of construction. It is planned experimentally using simulation modeling to determine the physical and mechanical properties of the optimal damping material for use in the node of the crane is most susceptible to vibrations, and also in the system chassis rail.

Keywords: the energy dissipation, damping, amplitude, resonance, crane.

В процессе эксплуатации грузоподъемных кранов неизбежны колебания упругих систем конструкции, в результате чего динамические нагрузки могут приобретать численно большие значения, чем при статическом нагружении. Инерционные параметры упругих систем зависят от веса груза, его амплитуды и от множества других случайных факторов. Усилия в упругих связях зависят как от внешних нагрузок, так и от физических свойств и конструктивных особенностей. На характер силовых процессов существенное влияние оказывают диссипативные силы, в результате чего происходит рассеивание энергии в окружающую среду. Эти потери вызваны силами неупругого сопротивления, на преодоление которых непрерывно и необратимо расходуется энергия колебательной системы или возбудителя колебаний. Как известно, отношение энергии, диссипируемой за цикл колебания, к максимальной потенциальной энергии, накопленной на протяжении цикла, является мерой интенсивности демпфирования.

Существует ряд методов прогнозирования демпфирующих свойств материалов. Наиболее широкое применение нашли два ме-

тода: метод, использующий принцип упруговязкой аналогии [3,4] и метод энергии деформаций [5,6]. Исследуемый грузоподъемный кран можно представить в виде многомассовой динамической модели, состоящий из сосредоточенных приведенных масс соединенных между собой упругими, а в случае учета диссипативных сил - упруговяз-кими связями. Сущность принципа упруговязкой аналогии заключается в том, что при установившихся гармонических колебаниях статические упругие решения можно преобразовать в вязкоупругие решения путем простой замены упругих модулей соответствующими комплексными вязкоупругими модулями и истолковывая упругое поле переменных как комплексное гармоническое вязкоупругое поле переменных [7]. При значении коэффициента потерь много меньшем единицы комплексный модуль упругости материала можно

М * = М '(1 + ¿п)

представить в виде , (1)

где М - модуль накоплений материала, П - коэффициент потерь материала. Тогда коэффициент потерь демпфирующего