Влияние флуктуаций скорости ветра в турбулентной атмосфере на характеристики обнаружения РЛС с СДЦ

Актуальность темы

.

В работе многих радиолокационных устройств большую роль играют отражения от распределенных пассивных атмосферных помех [1, 9−11, 19]. В радиолокации одной из важнейших задач является обнаружение движущихся целей [1]. Поэтому с самых истоков радиолокационной техники этой задаче уделялось большое внимание. Одним из основных методов выделения сигнала от движущейся цели на фоне пассивных помех является использование доплеров-ского смещения частоты эхосигналов от движущихся объектов [1, 15, 29]. Устройства, осуществляющие выделение сигналов от движущихся целей получили название систем селекции движущихся целей (СДЦ) [1].

Первые радиолокационные станции (РЛС) с системами СДЦ появились в 50-х годах [1, 15]. В процессе эксплуатации этих РЛС было выяснено, что они обеспечивают характеристики хуже расчетных [1, 15, 29, 71]. Одной из основных причин снижения эффективности называлась несоответствие выбранной модели помехи реальной помеховой обстановке [1]. Дальнейшие работы по улучшению систем СДЦ заключались в применении цифровой обработки сигналов, увеличению линейности приемного тракта перед устройством СДЦ, уменьшению аппаратурных нестабильностей, составлению более точных моделей помех. Все это привело к резкому повышению эффективности систем СДЦ, но проблема постоянного уточнения помеховой обстановки остается актуальной и по сей день [1−3, 29]. Многие модели пассивных помех излишне упрощены.

В частности, форма доплеровского спектра от объемно-распределенных помех традиционно аппроксимируется колоколообразной зависимостью [1−3, 11, 14−19]. Турбулентность атмосферы при такой аппроксимации моделируется расширением спектра, ее тонкая структура не учитывается. В то же время, экспериментальные исследования атмосферных явлений показывают, что турбулентность представляет собой довольно сложный процесс [2, 17, 20, 24]. Фор7 ма доплеровского спектра эхосигнала от турбулентных метеообразований может существенно отличаться от колоколообразной зависимости.

В настоящее время в метеорологии турбулентность принято моделировать трехмерным нормальным случайным процессом с довольно сложными корреляционными связями [4−9]. Логично ожидать, что эти связи должны сказываться на форме доплеровского спектра эхосигнала, а следовательно на эффективности работы системы СДЦ. В первую очередь, это может привести к изменению вероятностных характеристик обнаружения РЛС с СДЦ целей, визируемых на фоне пассивных помех.

Таким образом, имеет место следующее. Экспериментальные исследования процессов в атмосфере и цифровое моделирование показывает, что общепринятый упрощенный порядок учета влияния турбулентностей на свойства эхосигналов и характеристики обнаружения РЛС с СДЦ не всегда корректен. Это определило цель и задачи настоящей работы.

Цель работы: используя принятую в метеорологии модель турбулентности атмосферы, оценить влияние турбулентности на характеристики обнаружения РЛС с СДЦ.

Для достижения цели решены следующие основные задачи.

1. Систематизировать модели турбулентностей и связи этих моделей с характеристиками пассивных помех.

2. Установить связь характеристик обнаружения РЛС со свойствами турбулентных объемно-распределенных помех, описываемых принятыми в метеорологии моделями.

3. Оценить влияние свойств турбулентности на характеристики обнаружения РЛС с СДЦ.

4. Определить границы применимости классической модели учета турбулентных явлений в атмосфере.

5. Получить оценки влияния выбора модели турбулентности на современные типовые радиолокационные станции. 8.

Методы исследования. При проведении исследований в работе использовались методы статистической радиотехники и математической статистики, теория флуктуации локационных сигналов, теория селекции движущихся целей.

Достоверность и обоснованность теоретических результатов обеспечивается строгостью применяемого математического аппарата, а также подтверждением теоретических выводов результатами математического моделирования на ЭВМ.

Положения, выносимые на защиту.

1. При оценке характеристик обнаружения РЛС с СДЦ необходимо учитывать радиус пространственной корреляции флуктуаций вектора скорости ветра в атмосфере.

2. При сильной корреляции флуктуаций вектора скорости ветра в атмосфере вероятность правильного обнаружения РЛС с СДЦ может существенно отличаться от вероятности, оцененной без учета корреляционных явлений в турбулентной атмосфере.

3. При оценке характеристик обнаружения РЛС с СДЦ влияние пассивных помех можно учитывать при помощи поправочных коэффициентов, не зависящих от типа используемого обнаружителя.

Научная новизна работы.

1. Установлено влияние радиуса пространственной корреляции турбулентности на характеристики обнаружения РЛС с СДЦ.

2. Показано, что при оценке характеристик обнаружения РЛС с СДЦ необходимо различать случаи сильной и слабой корреляции флуктуации вектора скорости ветра.

3. Предложено проводить учет влияния пассивных помех от турбулентных метеообразований на характеристики обнаружения при помощи поправочных коэффициентов, не зависящих от типа используемого обнаружителя. Получены соотношения для их расчета.

Практическая ценность результатов. 9.

Полученные результаты могут найти применение при проектировании.

РЛС.

1. Получены соотношения для оценки характеристик обнаружения РЛС с СДЦ с учетом радиуса пространственной корреляции флуктуаций вектора скорости ветра турбулентных метеообразований.

2. Определены границы, в пределах которых необходимо проводить оценку характеристик обнаружения РЛС с СДЦ с учетом корреляционных связей флуктуаций скорости ветра.

Личный вклад автора.

Все выносимые на защиту результаты работы получены автором лично. Из 13 опубликованных работ 4 работы написаны в соавторстве. В работах, опубликованных в соавторстве, результаты, связанные с темой работы, получены автором.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались на следующих конференциях:

1. Современные проблемы радиотехники. СПР — 2003, Новосибирск, 2628 ноября 2003 г.

2. 10-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» М., МЭИ, 2004.

3. Сибирская научно-техническая конференция «Наука. Промышленность. Оборона», Новосибирск, НГТУ, 2004.

4. 7-я международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения 2004» — Новосибирск, НГТУ, 2004.

5. «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирск, НГТУ, 2004.

6. The 5th IEEE-Russia Conference MEMIA-2005.

7. The 9th Russian-Korean International Symposium on Science and Technology — KORUS-2005.

8. 8-я международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения 2006» — Новосибирск, НГТУ, 2006.

9. 9-я международная конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения 2008» — Новосибирск, НГТУ, 2008.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ. Из них 2 статьи в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК- 9 публикаций в трудах всероссийских и международных конференций- 3 — депонированные рукописи.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения списка использованных источников из 94 наименований и трех приложений. Диссертация изложена на 187 страницах текста. Работа содержит 31 таблицу и 84 рисунка.

4.2.4. Выводы к подразделу 4.2 В целом, к подразделу 4.2 можно сделать следующие выводы.

1. Показано, что для типовых современных РЛС турбулентные метеообразования с сильной корреляцией флуктуации вектора скорости ветра могут встречаться на дальностях до 60 км. На малых дальностях, где сильна корреляция, оценки характеристик обнаружения могут быть занижены.

2. При проектировании РЛС с СДЦ для области, не удовлетворяющей условию (4.1), допустим учет турбулентности с применением классического метода — расширением доплеровского спектра от метеообразований. Для области, удовлетворяющей условию (4.1), следует учитывать корреляционные связи флуктуаций вектора скорости ветра турбулентных метеообразований. Отличия оценки вероятности правильного обнаружения от оценок, полученных с применением классической методики, в этом случае могут достигать 10−15% процентов.

3. Полученные результаты проиллюстрированы на примере существующих типовых РЛС. Показано, что характеристики обнаружения РЛС ближнего действия должны оцениваться с учетом корреляционных связей флуктуаций вектора скорости ветра на всем диапазоне дальностей действия. Характеристики обнаружения РЛС средней дальности действия следует оценивать с применением как классической методики (на больших дальностях), так и с учетом корреляционных связей флуктуаций вектора скорости ветра (на малых и средних дальностях). Области высокой корреляции флуктуации вектора скорости ветра для случая РЛС большой дальности действия составляют малую часть.

143 порядка 10%) общей области действия РЛС. Оценку характеристик обнаружения для таких РЛС можно проводить с использованием классической методики учета турбулентности.

4.3.

Заключение

по разделу 4.

1. Проведено математическое моделирование РЛС с СДЦ с целью определения границ случаев слабой, умеренной и сильной корреляции флуктуации вектора скорости ветра. Показано, что границей между слабой и умеренной корреляцией флуктуации вектора скорости ветра является коэффициент корреляции равный 0.5, границей между умеренной и сильной корреляцией является коэффициент корреляции равный 0.85−0.9.

2. Проведена оценка влияния турбулентности на типовые современные РЛС. Показано, что РЛС малой дальности действия подвержены пассивным помехам от турбулентных объемно-распределенных метеообразований во всей области действия. Для РЛС средней дальности действия область, подверженная пассивным помехам от турбулентных метеообразований, может составлять до 50% от общей области действия. Для РЛС большой дальности области сильной корреляции флуктуации вектора скорости ветра не встречаются.

3. Предложены рекомендации по расчету характеристик обнаружения РЛС с СДЦ при наличии в их области действия пассивных турбулентных объемно-распределенных объектов. Предложено проводить учет корреляционных связей в атмосфере для областей сильной корреляции флуктуации вектора скорости ветра и проводить оценку с использованием классической методики оценки для всех других состояний атмосферы.

Заключение

.

В диссертационной работе решены научно-технические задачи, связанные с оценкой характеристик обнаружения РЛС с СДЦ при турбулентной атмосфере.

Получены следующие основные результаты.

1. Установлено влияние корреляционных связей флуктуаций вектора скорости ветра в атмосфере на характеристики обнаружения РЛС с СДЦ. Показано, что при оценке характеристик обнаружения необходимо учитывать влияние корреляционных связей в атмосфере при сильной корреляции флуктуации вектора скорости ветра. При этом наблюдаются существенные расхождения в оценках характеристик обнаружения по сравнению с классическим методом анализа.

2. Предложено проводить оценку характеристик обнаружения при помощи поправочных коэффициентов, зависящих только от параметров пассивной помехи и системы СДЦ. Оценка производится следующим образом: раскладывается в ряд функция, задающая характеристики обнаружениярассчитываются поправочные коэффициенты — моменты распределения мощности пассивный помехи на выходе СДЦвзвешиваются коэффициенты разложения поправочными коэффициентами.

3. Произведено разграничение состояний атмосферы на случаи сильной, умеренной и слабой корреляции. Получены соотношения, позволяющие проводить анализ характеристик обнаружения РЛС с СДЦ при наличии пассивных помех от объемно-распределенных объектов находящихся в турбулентной атмосфере для всех рассмотренных случаев.

Теоретические результаты работы доведены до практического применения и имеют прикладное значение.

1. С использованием полученных соотношений показано, что учет корреляционных явлений в атмосфере влияет на вероятность правильного обнаружения, а именно: при сильной корреляции флуктуации вектора скорости ветра.

146 отличия в уровне вероятности правильного обнаружения от случая классического учета турбулентности могут достигать 10−15% (что эквивалентно 5−7дБ в ОСП) — при слабой корреляции флуктуации вектора скорости ветра характеристики обнаружения совпадают для обеих аппроксимаций формы доплеровского спектрапри умеренной корреляции флуктуации вектора скорости ветра наблюдается промежуточное состояние.

2. Проведена оценка влияния турбулентности на современные типовые РЛС. Предложены рекомендации по расчету характеристик обнаружения РЛС с СДЦ при наличии в их области действия пассивных турбулентных объемно-распределенных объектов. Предложено при оценке характеристик обнаружения РЛС с СДЦ учитывать корреляционные связи в атмосфере для областей сильной корреляции флуктуации вектора скорости ветра и проводить оценку с использованием классической методики оценки для всех других состояний атмосферы.

Полученные в работе результаты дают основание утверждать, что решены задачи, имеющие существенное значение при оценке характеристик обнаружения РЛС с СДЦ.

Установлено влияние радиуса пространственной корреляции флуктуации вектора скорости ветра на характеристики обнаружения РЛС с СДЦ. Теоретические результаты доведены до уровня прикладного программного обеспечения предназначенного для оценки характеристик обнаружения РЛС с СДЦ при турбулентной атмосфере. Описание программного обеспечения представлено в Приложении 2.