ГЛАВА 9. Распознавание целей в сверхширокополосной радиолокации

9.1. Временные и частотные характеристики рассеяния объектов

Современная тенденция развития радиолокационных систем обнаружения, измерения параметров и распознавания целей заключается в расширении полосы частот в спектре зондирующего сигнала и полосы частот анализа принятого отклика от цели. Предельным случаем такого расширения полосы частот является переход к сверхширокополосной (СШП) локации, когда в сторону цели излучается весьма короткий импульс без несущей частоты, а анализ принятого сигнала производится в диапазоне частот от единиц мегагерц до десятков гигагерц При этом средой, в которой распространяется зондирующий электромагнитный импульс, может быть не только воздух, (локация летательных аппаратов), но и вода, песок, глинистые почвы и т.д. при подповерхностной локации различных целей, например, трубопроводов или различных типов мин.

В результате электромагнитного взаимодействия зондирующего сигнала с поверхностью радиолокационной цели формируется рассеянное электромагнитное поле, часть которого распространяется в направлении приемной антенны. Это поле несет в себе всю доступную информацию об объекте, которую можно выделить с помощью соответствующей обработки принятого сигнала. К настоящему времени уже сложились основные положения теории обнаружения радиолокационных целей, позволяющие создавать эффективные радиолокационные системы [1]. Здесь прослеживается тенденция специализации отдельных элементов системы на решении конкретных задач радиолокации. Это проявляется, например, в использовании разных типов зондирующих сигналов, антенных систем, приемников и алгоритмов обработки сигналов для обнаружения цели, измерения дальности и угловых координат, или для определения скорости движения цели.

Извлечение некоординатной информации о размерах и форме радиолокационной цели до сих пор относится к числу задач, требующих решения как в научном, так и в практическом плане. Эту задачу можно условно отнести к задачам третьего уровня иерархии, если принять, что на первом уровне проводится обнаружение и первичное измерение координат цели, а на втором уровне - анализ и прогнозирование траекторий

движения обнаруженных объектов. Таким образом, определение размеров и геометрической формы радиолокационной цели, как правило, требуется проводить после того, как цель обнаружена и по параметрам своего движения или расположения в пространстве заслуживает дополнительных усилий по уточнению ее параметров и более обоснованному принятию решения о дальнейших действиях.

Вопросам анализа временных и частотных характеристик рассеяния электромагнитных полей телами различной формы посвящено большое число научных работ как отечественных, так и зарубежных ученых [2-4]. Под временной характеристикой рассеяния объекта будем понимать так называемую импульсную характеристику объекта, являющуюся реакцией на электромагнитное возбуждение, имеющее форму и свойства -функции. На практике воздействие имеет конечную длительность и определенную форму, поэтому временная зависимость реакции объекта несет в себе не только информацию об импульсной характеристике, но и о форме возбуждающего сигнала.

Частотной характеристикой рассеяния объекта может служить эффективная площадь рассеяния (ЭПР) цели. Под ЭПР понимается отношение квадратов амплитуд электрических составляющих падающего и рассеянного целью стационарного гармонического электромагнитного поля измеренного в точке наблюдения на расстоянии от цели. Когда выполняется условие дальней зоны, можно считать, что Если частота электромагнитного поля изменяется или облучение проводится стационарным полем, обладающим энергетическим спектром а измеряется энергетический спектр рассеянного поля то получим зависимость ЭПР от частоты

где множитель вводится для компенсации затухания рассеянного поля в дальней зоне в соответствии с зависимостью расстояние до цели.

Для выяснения физического смысла ЭПР рассмотрим структурную схему (рис. 9.1), на которой представлены временные и частотные зависимости величин, характеризующих рассеяние и распространение электромагнитного поля.

Рис. 9.1. Физический смысл ЭПР

Падающее электромагнитное поле, электрическая компонента которого описывается пространственно-временной зависимостью на поверхности объекта, задаваемой вектором и временем характеризуется плотностью потока мощности Часть этой мощности улавливается и переотражается объектом (целью), что интегрально учитывается На самом деле падающее поле вызывает электрический ток, плотность которого на поверхности объекта описывается пространственно-временной функцией который в свою очередь формирует рассеянное поле, электрическая компонента которого в точке пространства на расстоянии от объекта описывается зависимостью Плотность потока мощности рассеянной целью, на расстоянии от нее составит .

Таким образом, ЭПР можно определить через отношение плотностей мощностей падающего и рассеянного полей

Поскольку мощность пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрической составляющей поля, (9.1) и (9.2) эквивалентны. Следует отметить, что ЭПР принято измерять в квадратах длины волны поля в той среде, в которой находится объект, т.е. а - коэффициент пропорциональности.

Среда распространения характеризуется комплексной относительной диэлектрической проницаемостью отражает явление поляризации в диэлектрике, а характеризует потери в среде; комплексной относительной магнитной проницаемостью причем учитывает запас магнитной энергии средой, возвращаемой при размагничивании, а определяет магнитные потери на вихревые токи, гистерезис и магнитную вязкость среды распространения волны. Длина волны в данной среде [2], где длина волны в вакууме, f - частота колебания, скорость электромагнитной волны вакууме, электрическая постоянная, магнитная постоянная.

Если среда распространения не содержит ферромагнитных материалов, тогда

Поскольку ЭПР меняется в очень широких пределах при изменении ракурса цели, поляризации падающей волны, и поляризации измеряемой

рассеянной волны, ее принято измерять в логарифмическом масштабе, принимая за 0 дБ, например, ЭПР в один квадратный метр или одну квадратную длину волны в среде.

С точки зрения СШП радиолокации очень важную роль играет зависимость ЭПР от частоты или длины волны электромагнитного поля. Ее определяют теоретическим путем расчета поля, рассеянного объектом данной формы, в зависимости от ракурса и длины волны гармонического поля (стационарный случай), либо путем нахождения цели, т.е. вычислением поля, рассеянного объектом при воздействии бесконечно короткого импульса напряженности электрического поля, несущего конечную энергию (нестационарный случай). Оба подхода достаточно хорошо представлены в [3,4] для тел правильной геометрической формы: сферы, эллипсоида, цилиндра, конуса и т.д.

Для цели, представляющей собой более сложный геометрический объект, проводят экспериментальное определение зависимости ЭПР от частоты с использованием масштабных моделей летательных аппаратов, танков, автомобилей и т.д. [5].