Системы ближней радиолокации для обнаружения наземных целей на основе частотно-модулированного и многочастотного зондирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.14, кандидат технических наук Матвиенко, Александр Евгеньевич

• Матвиенко, Александр Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Матвиенко, Александр Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ОБЪЕКТА ОБНАРУЖЕНИЯ.

1.1 Обзор моделей, характеризующих обратное рассеяние электромагнитных волн человеком, как объектом обнаружения.

1.2 Разработка модели локальных элементов рассеяния для представления человеческого тела.

1.3 Модель колебаний локальных элементов рассеяния при движении объекта обнаружения.

Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2. ОЦЕНКА ПАРАМЕТРОВ ПОЛЕЗНОГО СИГНАЛА И СИНТЕЗ СБРЛ С ЗОНДИРУЮЩИМ ЛЧМ СИГНАЛОМ.

2.1 Синтез модели полезного сигнала при тангенциальном движении объекта обнаружения.

2.2 Оценка параметров полезного сигнала и выбор параметров устройства обработки сигнала.

2.3 Синтез многоканального устройства обработки сигнала и выбор решающего правила обнаружения движущегося объекта.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. УМЕНЬШЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ВЫБОРОМ ПАРАМЕТРОВ АНТЕННЫ СБРЛ.

3.1 Анализ условий работы СБРЛ и оценка отражательной способности подстилающей поверхности.

3.2 Оценка помехоустойчивости СБРЛ.

3. Повышение помехоустойчивости оптимизацией параметров амплитудно-фазового распределения поля в антенне.

Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК СБРЛ С

ЗОНДИРУЮЩИМ ЛЧМ СИГНАЛОМ.

4.1 Функция рассогласования зондирующего ЛЧМ сигнала.

4.2 Анализ влияния нелинейности 4M на основные характеристики СБРЛ.

4.3 Оценка возможности увеличения разрешающей способности и помехоустойчивости вблизи антенны за счёт выбора формы модулирующего сигнала.

Выводы по четвёртой главе.

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА СБРЛ С МНОГОЧАСТОТНЫМ ЗС И ФАЗОВОЙ СЕЛЕКЦИЕЙ ПО ДАЛЬНОСТИ.

5.1 Постановка задачи разработки СБРЛ с фазовой селекцией по дальности.

5.2 Разработка способа построения СБРЛ с многочастотным

ЗС на основе анализа функции рассогласования.

5.3 Структура СБРЛ с многочастотным ЗС и фазовой селекцией по дальности.

Выводы по пятой главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Системы ближней радиолокации для обнаружения наземных целей на основе частотно-модулированного и многочастотного зондирования»

В настоящее время наблюдается интенсивное развитие систем ближней радиолокации (СБРЛ). СБРЛ наиболее часто используются при построении систем охраны и защиты важных стратегических объектов от проникновения нарушителей и предотвращения террористических актов [37, 38, 39, 48]. В этих случаях объектом обнаружения (ОО) является человек. Помимо задач улучшения тактико-технических характеристик современных СБРЛ наблюдаются такие тенденции, как увеличение информативности систем, совершенствование управляемости и повышение энергоэффективности [14, 32, 48, 49].

Для построения систем охраны используются различные физические эффекты и методы построения систем обнаружения. Основными методами построения являются радиолучевой, радиоволновой, оптический, сейсмический, магнитометрический метод. Каждый из методов обладает своими особенностями и отличается устойчивостью или неустойчивостью к определённым видам помех.

Среди этих методов следует выделить радиолучевой однопозицион-ный - радиолокационный метод, обладающий рядом преимуществ: когерентный приём отражённого сигнала, позволяющий обеспечить высокую чувствительность; возможность пространственной конфигурации зоны обнаружения (ЗО) за счёт использования лучевидных, веерообразных или слабонаправленных диаграмм направленности (ДН) антенн; возможность измерения дальности до ОО и определения количества нарушителей. По этим причинам в диссертации рассматривается СБРЛ, использующие метод радиолокационного обнаружения, при котором высота установки антенны СБРЛ соизмерима с высотой ОО, а ЗО включает в себя как зону Френеля, так и дальнюю зону излучения антенны.

Исходя из условий работы СБРЛ, необходимо учитывать ряд существенных особенностей:

- близкое расположение подстилающей поверхности (1111), являющейся основным источником помех;

- малое время наблюдение объекта в 30;

- значительный диапазон скоростей и неопределённость направления движения 00, которое может быть тангенциальным, радиальным или произвольным относительно оси ДН.

Указанные особенности показывают, что наиболее актуальными являются задачи определения информативных признаков в сигнале отражённом от объекта, движущегося тангенциально или радиально относительно направления распространения радиоволн, повышения помехоустойчивости, выбора параметров зондирующих сигналов (ЗС) и синтеза структуры

В соответствии с различными тактиками применения СБРЛ в диссертации рассматриваются два вида систем:

СБРЛ на базе зондирующего линейно-частотно модулированного (ЛЧМ) сигнала, которая используются для формирования протяженной лучевидной 30 длиной до 100 м.;

СБРЛ на базе многочастотного зондирующего сигнала, которая используются для формирования кольцеобразной ЗО радиусом порядка

При разработке СБРЛ с лучевидной ЗО (рисунок В.1) используется метод зондирования ЛЧМ сигналом.

Объект обнаружения - человек

Целью исследования являлся комплексный анализ как физического аспекта сигналообразования, так и технического аспекта реализации системы. При рассмотрении физического аспекта исследования акцент делался на оценку параметров отражённого сигнала от тангенциально движуще

СБРЛ.

2-10 м.

Подстилающая поверхность

Рисунок В.1 - СБРЛ с лучевидной 30. гося объекта, а в техническом аспекте:

- на синтез структуры устройства обработки сигнала, имеющей многоканальное построение (по разрешаемым объёмам и типам движения);

- на определении решающего правила для обнаружения, основанного на выделении наиболее информативного признака движущегося объекта;

- на оценку параметров системы, в особенности влияния нелинейности частотной модуляции на разрешающую способность.

На рисунке В.2 изображена структура исследования по данному направлению. у и С о со

5Я Л о <и

ЕГ а К е а> к о за У а> &4

К И X а> Н У

Рисунок В.2 - Структура исследования СБРЛ с зондирующим ЛЧМ сигналом.

При разработке СБРЛ с кольцеобразной ЗО (рисунок В.З) исследован способ, в котором используется многочастотный зондирующий сигнал и фазовая селекция по дальности (глава 5).

При использовании многочастотного сигнала удаётся сочетать «ши-рокополосность» зондирующего сигнала и «узкополосность» узлов системы, чем достигается экономия энергетических ресурсов и технологичность системы.

Исследование базируется на основе теории радиолокационных сигналов, использующей анализ функции рассогласования для выбора зондирующего сигнала и синтеза устройства обработки (приёмника). Конечной целью исследования является получение минимальной ширины основного лепестка функции рассогласования по фазе (по дальности) при минимальном количестве частот зондирующего сигнала. При формировании функции рассогласования по фазе реализуется фазовая селекция по дальности. Установка устройства обработки на заданную дальность осуществляется процедурой оценки взаимной корреляции сигналов доплеровских частот, что реализует «энергетический» приёмник системы и устраняет необходимость непосредственных фазовых измерений.

Повышение эффективности СБРЛ практически невозможно без априорного знания характеристик обратного рассеяния 00 и выделения наиболее существенных информативных признаков, по которым осуществляется обнаружение. Характеристики обратного рассеяния ОО определяются методом фундаментальной системы решений векторного волнового уравнения [7, 18]. В качестве информативных признаков предлагается использовать спектральные и статистические параметры флуктуаций эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) 00. Именно флуктуации ЭПР объекта

АКг=0.25-1 м. /// //А /// /// <>Е=2гЖм.

Рисунок В.З - СБРЛ с кольцеобразной 30. рассматриваются в качестве полезного сигнала, что особенно актуально при тангенциальном направлении движения. В модели полезного сигнала учитывается как характеристики рассеяния, так и характерные локомоции частей тела человека при движении. Достоверность модели полезного сигнала подтверждается её сопоставлением с экспериментальными данными.

Необходимо ещё раз отметить, что ограниченность времени и пространства наблюдения не даёт возможности оценки траектории движения (траекторных признаков). По этой причине под информативными признаками понимаются сигнальные признаки, а именно спектральные и статистические параметры полезного сигнала с учётом различного времени наблюдения. На основе оценок спектральных и статистических параметров полезного сигнала необходимо определить решающее правило для обнаружения движущегося объекта.

Задача повышения помехоустойчивости, которая оценивается степенью увеличения отношения сигнал-помеха, решается посредством увеличения эффективности пространственной селекции и достигается выбором амплитудно-фазового распределения (АФР) поля в антенне при неизменных габаритах.

Увеличение отношения сигнал-помеха рассматривается, как основной фактор потенциального увеличения вероятностных характеристик исходя из специфики работы в ближней зоне. Основное различие обнаружения на дальних рубежах и в ближней зоне заключается в следующем. Максимально-возможная дальность действия, в соответствии с основным уравнением радиолокации, определяется мощностью ЗС и чувствительностью приёмника [35], которая ограничивается тепловыми шумами. К тому же в дальней локации ЗО расположена в удалённом от ПП пространстве, где помехи от распределённых поверхностей малы. В ближней зоне, наоборот, дальность действия небольшая и отражённый сигнал значительно превышает уровень шумов, а основные помехи обусловлены отражением от распределённых поверхностей. В большинстве случаев шум приёмника является случайным стационарным процессом равномерным по спектру и имеющим нормальное распределение в отличие от помех ПП, являющихся случайным нестационарным процессом. Подобное обстоятельство оказывает специфическое влияние на постановку задач обработки полезного сигнала.

Увеличить отношение сигнал-помеха можно за счёт уменьшения разрешающего объема, при этом устройство обработки СБРЛ должно иметь многоканальную структуру для параллельной и независимой оценки параметров сигнала в разрешающих объёмах. Учитывая специфику зондирования ЛЧМ сигналом необходимо обрабатывать спектр сигнала разностной частоты.

Как было сказано выше, в работе рассматриваются СБРЛ, работающие в непрерывном и квазинепрерывном режиме излучения. Выбор обусловлен высокими требованиями к вероятностным характеристикам, которые зависят от отношения сигнал-помеха и времени наблюдения сигнала [35]. Данная зависимость объясняется тем, что при увеличении отношения сигнал-помеха и/или времени наблюдения сигнала возрастает точность оценки параметров принимаемых сигналов благодаря их статистическому усреднению, и соответственно, уменьшается количество ошибочных решений. Если в непрерывном режиме зондирования время наблюдения ограничивается временем наблюдения, то в импульсном режиме оно дополнительно сокращается при уменьшении длительности зондирующего импульса, что отразится на точности оценки параметров принимаемых сигналов. Кроме этого, в ближней зоне отсутствуют траекторные признаки, и принятие решения основывается на анализе сигнальных признаков, что повышает требования к точности оценки параметров принимаемых сигналов, особенно для систем с автоматическим принятием решения. Таким образом, для построения СБРЛ целесообразно выбрать методы радиолокационного обнаружения, использующие зондирующий ЛЧМ сигнал при непрерывном режиме излучения и многочастотный ЗС с фазовой селекцией по дальности при квазинепрерывном режиме излучения.

Основной целью при выборе параметров зондирующего ЛЧМ сигнала является уменьшение влияния побочных лепестков функции рассогласования (ФР). Эффективность выбора параметров ЗС оценивается степенью уменьшения интегрального показателя разрешающей способности. Интегральный показатель выбран исходя из задачи уменьшения суммарной мощности помехи в разрешаемых объемах пространства. В работе также рассматривается вопрос о влиянии нелинейности частотной модуляции на разрешающую способность. Поскольку для зондирующего ЛЧМ сигнала характерна высокая чувствительность вблизи антенны, что снижает помехоустойчивость к таким факторам, как стекающие по антенне потоки воды, облепляющий апертуру снег, летающие насекомые и птицы, то необходимо оценить возможность снижения чувствительности вблизи антенны за счёт выбора формы ЧМ.

СБРЛ с зондирующим ЛЧМ сигналом используется для обнаружения как тангенциального, так и радиального движущегося ОО относительно оси ДН с лучевой формой. Однако в случае, если нужно обеспечить обнаружение объекта в заданной зоне пространства радиусом нескольких метров при отсутствии направленности излучения и соответственно без пространственной селекции, то для уменьшения влияния 1111 необходимо сформировать кольцевую ЗО шириной порядка нескольких дециметров. Для 30 с подобным характеристиками необходимо использовать широкополосный или сверхширокополосный ЗС. Для решения данной задачи разрабатывается СБРЛ с многочастотным ЗС и фазовой селекцией по дальности, при этом требования к используемой полосе частот ЗС значительно сокращаются. Данная задача решается в контексте минимизации количества используемых частот при максимально возможном интервале однозначности и минимальной ширине ЗО. Полученное решение имеет системную особенность - эффект минимизации количества используемых частот при максимально возможном интервале однозначности и минимально возможной ширине 30 достигается только в случае взаимосвязанного выбора параметров ЗС и правила обработки доплеровских сигналов. Дополнительным преимуществом данного тактического способа формирования ЗО является то, что отраженный от движущегося ОО сигнал обладает доплеров-ским сдвигом независимо от направления движения, что делает его более различимым на фоне помех.

Таким образом, существуют актуальные научно-технические задачи исследования характеристик сигнала, отражённого от объекта обнаружения, на основе модели его электромагнитного рассеяния и выбора параметров и синтеза СБРЛ с учётом условий работы и тактики применения.

Состояние вопроса

В настоящее время имеются значительные теоретические результаты и богатый опыт в решении подобных задач. Можно отметить существенный вклад в области задач определения радиолокационных характеристик объектов сложной формы таких отечественных и зарубежных научных деятелей, как Дж. Стрэттон, Е.А. Штагер, Ф.Г. Басс, И.М. Фукс, Ю.И. Фельдман, А.Б. Борзов, A.B. Соколов, И.Ф. Писаревский, Р.В. Островитянов, Ф.А. Басалов. В области задач анализа и синтеза радиотехнических систем (РТС) можно отметить вклад таких отечественных научных деятелей, как В.И. Тихонов, Б.Р. Левин, П.А. Бакулев, О.И. Шелухин, И.М. Коган, Ю.Г. Сосулин, И.Б. Федоров, А.И. Перов, И.Я. Кремер, А.Л. Горелик.

В [5] приведён обзор асимптотических методов расчета характеристик рассеяния. Современный уровень развития вычислительных средств и средств автоматизированного проектирования позволяет использовать для анализа характеристик рассеяния объектов сложной пространственной конфигурации численное моделирование. В [6] приводится обзор основных численных методов расчета характеристик рассеяния. Современная теория электромагнитного рассеяния и методики численного моделирования изложены в [7, 8]. Методы определения характеристик рассеяния объектов, описываемых стандартной системой координат с использованием векторного волнового уравнения, приводятся в [18]. Описание объектов обнаружения в рамках статистического подхода рассмотрены в [9,10,23]. Основные подходы к анализу характеристик рассеяния волн на статистически неровной поверхности изложены в [34].

Задачи анализа и синтеза РТС имеет множество аспектов. Основные принципы построения РТС подробно описаны в [33,35,41,50,52]. Статистический и информационный аспекты синтеза РТС изложены в [13,46,51,53,54,55], где рассматриваются вопросы описания случайных процессов, оптимальной фильтрации, оценки параметров сигналов и принятия статистических решений. Специфические особенности построения СБРЛ и пространственно-временной обработки сигнала охарактеризованы в [1,2,14]. Принципы построения СБРЛ с зондирующим ЛЧМ сигналом рассмотрены в [40], где при определении основных характеристик используется временной метод анализа. В [14,41] используется частотный метод анализа СБРЛ с синусоидальным частотно-модулированном ЗС. Основные характеристики метода фазовой селекции рассмотрены в [32,43].

Цель работы

Разработка модели объекта обнаружения, определение характеристик отраженного сигнала, в том числе и при тангенциальном направлении движения объекта, синтез структур и оценка параметров СБРЛ на базе зондирующего ЛЧМ сигнала и многочастотного зондирующего сигнала с фазовой селекцией по дальности.

Задачи исследования

1. Разработка модели объекта обнаружения на основе локальных элементов рассеяния.

2. Оценка спектральных и статистических параметров сигнала отражённого от тангенциально движущегося объекта. Синтез устройства обработки сигнала разностной частоты и выбор решающего правила обнаружения движущегося объекта.

3. Оценка уровня помех подстилающей поверхности в зоне Френеля и дальней зоне излучения антенны и повышение помехоустойчивости СБРЛ.

4. Анализ параметров функции рассогласования зондирующего ЛЧМ сигнала. Оценка влияния нелинейности частотной модуляции на основные характеристики СБРЛ.

5. Разработка СБРЛ с кольцеобразной зоной обнаружения на базе многочастотного зондирующего сигнала с фазовой селекцией по дальности.

6. Экспериментальное исследование и внедрение СБРЛ.

Методы исследования

В работе использованы методы математического моделирования, цифрового спектрального анализа, статистической обработки сигналов и натурных испытаний. Расчёты выполнялись в среде программирования «МаНаЬ» и «МаШсаё».

Достоверность научных положений

Достоверность научных положений и выводов, содержащихся в диссертационной работе, подтверждается корректным использованием математического аппарата, моделированием и совпадением теоретических результатов с экспериментальными данными.

Научная новизна

1. Предложена и разработана математическая модель объекта обнаружения в виде совокупности локальных элементов рассеяния, позволяющая путём электродинамического расчета характеристик рассеяния и учёта характерных локомоций при движении определить параметры отражённого сигнала.

2. Для СБРЛ с зондирующим ЛЧМ сигналом на основе оценки спектральных и статистических параметров флуктуаций эффективной поверхности рассеяния объекта обнаружения синтезировано устройство обработки сигнала разностной частоты и определено решающее правило обнаружения объекта, движущегося в радиальном или тангенциальном направлении.

3. С использованием модифицированного уравнения функции рассогласования проведена количественная оценка влияния нелинейности частотной модуляции на разрешающую способность и точность измерения дальности, предложен способ выбора формы модулирующего сигнала для повышения разрешающей способности и помехоустойчивости вблизи антенны СБРЛ.

4. Определено соотношение значений частот многочастотного зондирующего сигнала и разработан алгоритм обработки сигнала, что позволяет обеспечить максимально возможный интервал однозначности измерений и минимальную ширину зоны обнаружения СБРЛ с фазовой селекцией по дальности при минимальном количестве используемых частот.

Практическая ценность

1. На основе электродинамического анализа разработаны программы, позволяющие рассчитывать характеристики объекта обнаружения в сантиметровом и миллиметровом диапазоне длин волн, обеспечивающие повышенную точность расчётов за счёт учета характерных локомоций при движении объекта обнаружения.

2. Разработаны оригинальные структуры СБРЛ, использующие ЗС с квазилинейной частотной модуляцией и многочастотный ЗС.

3. Разработаны алгоритм и программа цифровой обработки сигнала для СБРЛ на базе зондирующего ЛЧМ сигнала. Программная реализация алгоритма выполнена при участии кафедры «Телекоммуникаций и основ радиотехники» Рязанского государственного радиотехнического университета.

Реализация результатов работы

Результаты диссертационной работы использованы в НИР «Рассвет» и ОКР «Рубин» Научно-исследовательского и конструкторского института радиоэлектронной техники (НИКИРЭТ) - филиала ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. Проценко» (Минатомпром г. Заречный Пензенской области). В результате работы разработано радиолокационное средство обнаружения с повышенной разрешающей способность и помехоустойчивостью, испытанное на действующем макете и опытном образце.

Результаты работы также использованы в учебном процессе на кафедре «Радиотехника и радиоэлектронные системы» Пензенского государственного университета в дисциплинах «Основы теории радиотехнических систем» и «Устройства генерирования и формирования сигналов».

Внедрение результатов диссертационной работы подтверждены соответствующими актами.

Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 6 приложений с актами внедрений и листингами программ расчётов.

Заключение диссертации по теме «Радиолокация и радионавигация», Матвиенко, Александр Евгеньевич

Основные результаты диссертационной работы:

1. Для определения основных параметров отраженного сигнала разработана модель объекта обнаружения, использующая электродинамический расчет обратного рассеяния и учитывающая характерные локомо-ции при движении.

2. На основе оценки спектральных и статистических параметров флуктуаций ЭПР объекта для СБРЛ с зондирующим ЛЧМ сигналом синтезировано многоканальное устройство обработки СРЧ и определено решающее правило обнаружения, увеличивающее вероятностные характеристики СБРЛ.

3. Разработана методика оценки отражательной способности подстилающей поверхности находящейся как в зоне Френеля, так и дальней зоне излучения антенны, позволяющая посредством выбора параметров амплитудно-фазового распределения повысить отношение сигнал-помеха.

4. С использованием модифицированного уравнения функции рассогласования зондирующего ЛЧМ сигнала проведена количественная оценка влияния нелинейности частотной модуляции на разрешающую способность, предложен способ повышения помехоустойчивости вблизи антенны за счёт выбора формы модулирующего сигнала.

5. Определено соотношение значений частот многочастотного зондирующего сигнала и разработан алгоритм обработки сигнала, что позволило обеспечить максимально возможный интервал однозначности и минимальную ширину зоны обнаружения СБРЛ с фазовой селекцией по дальности при минимальном количестве используемых частот.

6. Разработано и испытано радиолокационное средство обнаружения с повышенной разрешающей способностью и помехоустойчивостью.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе изучения состояния теории и практики решения задач определения характеристик обратного рассеяния объектов сложной формы и задач анализа и синтеза радиотехнических систем рассмотрены вопросы повышения эффективности радиотехнических систем обнаружения ближнего действия.

Характеристики обратного рассеяния объекта обнаружения исследуются на основе представления частей человеческого тела локальными элементами рассеяния. В качестве локальных элементов рассеяния берутся диэлектрические цилиндры размерами соответствующих частей тела и диэлектрической проницаемостью, равной проницаемости воды. Методом фундаментальной системы решений векторных волновых уравнений определяются диаграммы обратного рассеяния локальных элементов. Для проверки адекватности данного представления производится расчёт плотности распределения вероятности ЭПР объекта обнаружения при равномерном и независимом распределении углов наклона локальных элементов рассеяния. Расчет проводится для 30 и 8 миллиметровых длин волн, результаты расчетов согласуются с данными о значениях эффективной поверхности рассеяния человеческого тела, приводимых в других источниках.

Разработана модель колебаний локальных элементов рассеяния для имитации локомоций объекта обнаружения при движении. Поскольку движение локальных элементов рассеяния сходны с колебательным процессом, то модель движения описана стохастическим дифференциальным уравнением второго порядка. Частные реализации процесса находятся в результате решения данного уравнения.

На основе характеристик обратного рассеяния локальных элементов, составляющих объект обнаружения, и модели колебаний локальных элементов рассеяния исследуются спектральные и статистические параметры полезного сигнала. Особое внимание уделяется анализу параметров полезного сигнала при тангенциальном направлении движения объекта обнаружения. В этом случае доплеровский сдвиг частоты практически отсутствует, а полезным сигналом будет являться флуктуация ЭПР объекта обнаружения при движении. Проведено исследование огибающей спектра флуктуаций ЭПР объекта обнаружения для 30* и 8 миллиметровых длин волн. Поскольку флуктуации ЭПР являются случайным процессом, то анализируются его статистические параметры (математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение), рассматриваемые как информативные признаки объекта обнаружения.

Одним из существенных особенностей ближней зоны действия является малое время наблюдения объекта обнаружения, поэтому проведена оценка плотности распределения вероятности значений информативных признаков и их доверительных интервалов в зависимости от времени наблюдения. Данный анализ проводится применительно к методу зондирования ЛЧМ сигналом. Также приводятся анализ экспериментально записанных сигналов.

Проведено комплексное исследование, включающее как анализ радиолокационных характеристик объекта обнаружения, так и специфики разработки СБРЛ с зондирующим ЛЧМ сигналом.

Разработано устройство обработки сигнала разностной частоты, в котором осуществляется многоканальная фильтрация гармоник дальности и осуществляется селекция полезного сигнала по типу движения: тангенциальное и радиальное направлении движения. Проведен анализ использования оценок математического ожидания, дисперсии и отношения математических ожиданий положительных и отрицательных отклонений^ качестве решающих статистик обнаружения движущегося объекта. На основе анализа различных решающих статистик выбрано решающее правило с наиболее высокой вероятностной характеристикой. Определен алгоритм реализации решающего правила, в котором для уменьшения вычислительных затрат используется рекуррентная процедура.

Особенностью работы СБРЛ является непосредственная близость подстилающей поверхности, являющейся основным источником помех. Проводится оценка зависимости мощности помехи от дальности с учётом различного угла скольжения падающей волны, диаграммы направленности, приёмопередающей- антенны и различных зон излучения антенны (зона Френеля и дальняя зона). В качестве показателя- помехоустойчивости берётся зависимость от дальности отношения средних значений« мощности полезного сигнала к мощности помехи. Показана возможность увеличения помехоустойчивости за счёт выбора параметров амплитудно-фазового распределения поля по апертуре антенны.

Исследованы вопросы выбора параметров зондирующего сигнала на базе анализа функции рассогласования. Выведено уравнение, характеризующее сигнал разностной частоты, позволяющее выразить функцию рассогласования гармоник дальности зондирующего ЛЧМ сигнала. Проведён анализ влияния нелинейности частотной модуляции на разрешающую способность и точность измерения дальности СБРЛ. Оценена возможность увеличения разрешающей способности и помехоустойчивости вблизи антенны за счёт выбора формы модулирующего сигнала.

Рассмотрена задача обнаружения объекта в заданной зоне пространства, например радиусом нескольких метров, при отсутствии направленности излучения и соответственно без пространственной селекции. Для уменьшения влияния подстилающей поверхности, необходимо сформировать кольцевую зону обнаружения шириной порядка нескольких дециметров. Для решения данной задачи разрабатывается СБРЛ с многочастотным зондирующим сигналом и фазовой селекцией по дальности, при этом требования к полосе частот зондирующего сигнала значительно сокращаются. Данная задача решается в контексте минимизации количества используемых частот при максимально возможном интервале однозначности и минимальной ширине зоны обнаружения. Решение достигается в случае взаимосвязанного выбора параметров зондирующего сигнала и правила обработки сигналов доплеровской частоты.

Предложены оригинальный способ построения и структура СБРЛ с многочастотным зондирующим сигналом и фазовой селекции по дальности, реализующей данную систему.

Внедрение результатов диссертационной работы подтверждены соответствующими актами.

В результате исследования разработаны действующие макеты (Зсм, 12 мм и 8 мм диапазона длин волн), в котором обрабатывается сигнал на цифровом сигнальном процессоре типа «Блекфин». Применение предложенных решений позволило увеличить разрешающую способность и точность измерения дальности в 25 раз относительно параметров пери-метровых средств обнаружения, которые используются в настоящее время. В настоящее время ведётся ОКР по созданию средства обнаружения на базе ЛЧМ зондирования с повышенной помехоустойчивостью. В практику разработки средств обнаружения введены ряд программ моделирования, которые позволяют проводить оценку параметров полезного сигнала и помех для различного диапазона длин воли, а также оценивать характеристики СБРЛ с зондирующим ЛЧМ сигналом и многочастотным зондирующим сигналом.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Матвиенко, Александр Евгеньевич, 2010 год

1. ИДелухин О.И. Радиосистемы ближнего действия: — М.: Радио и связь, 1989. - 240 с. .

2. Пространственно-временная обработка сигналов / И.Я. Кремер, А.И. Кремер, В.М. Петров, и др.; Под ред. И.Я. Кремера. М.: Радио и связь, 1984.-224 с.

3. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М.: Радио и связь, 1981- 416 с.

4. Обработка сигналов в радиотехнических системах: Учеб. Посо-бие/Далматов А.Д., Елисеев A.A., Лукошкин А.П., Оводенко A.A., Устинов Б.В.; Под ред. А.П. Лукошкина. Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1987. — 400 с.

5. Развитие методов расчета эффективной площади отражения радиолокационных целей / Ю. Ф. Нотт. ТИИЭР: Пер. с англ., 1985, т. 73, № 2, 68-90 с.

6. Эффективная площадь отражения сложных радиолокационных целей / H. Н. Юссеф. ТИИЭР: Пер. с англ., 1989, т. 77, № 5, 100-112 с.

7. Tsang L, Kong J, Ding К. Vol. 1. Scattering of. electromagnetic waves. Theories and applications. — 2000, John Wiley & Sons, Inc. — 436 c.

8. Tsang L, Kong J, Ding K. Vol. 2. Scattering of electromagnetic waves. Numerical simulations. 2000, John Wiley & Sons, Inc. -723 c.

9. Островитянов P.B., Басалов Ф.А. Статистическая теория радиолокации протяжённых целей. — M.: Радио и связь, 1982. — 232 с.

10. Фельдман Ю.И., Мандуровский. И-А. Теория флуктуации? локационных сигналов, отраженных распределёнными целямш Под ред. Ю.И: Фельдмана.-М.:.Радио и связь, 1988.-272 с.

11. Проблемы радиолокации протяженных объектов. Межвузовский сборник. Свердловск, изд. УПИ им: С.М. Кирова, 1983:— 160 с:

12. Радиотехнические системы; пространственно-распределенных, объектов. Межвузовский сборник: Свердловск, изд. УПИ им. С.М. Кирова, 1984.-184 с.

13. Селекция и распознавание на основе локационной информации /

14. A.JI. Горелик, Ю.Л. Барабаш, О.В. Кривошеев, С.С. Эпштейн; Под ред. А.Л. Горелика. М.: Радио и связь, 1990. - 240 с.

15. Коган И.М. Ближняя радиолокация (теоретические .основы). М.: Сов. радио, 1973; 272 с.

16. Алиев Т.М., Тер-Хачатуров A.A. Измерительная техника: Учеб. Пособие для техн. вузов. — М.: Высш. шк., 1991. — 384 с.

17. Гольдштейн Л.Д., Зернов Н.В. Электромагнитные поля и волны. Изд. 2-е, перераб. и дополненное. М.: Советское радио, 1971. 664 с.

18. Антенны УКВ. Под ред. Г.З. Айзенберга. В 2-х ч. 4.1. М.: Связь, 1977.-384 с.

19. Стрэттон Дж. Теория электромагнетизма. М-Л.: ГИТТЛ, 1948.

20. Кюн Р. Микроволновые антенны. М.: Судостроение, 1967.

21. Апельцин В.Ф., Кюркчан А.Г. Аналитические свойства волновых полей. М.: Изд-во МГУ, 1990. 208 с.

22. Васильев E.H. Возбуждение тел вращения. М.: Радио и связь, 1987.-272 с.

23. Рассеяние волн локальными неоднородностями в сплошных средах / Селезов И.Т., Кривонос Ю.Г., Яковлев В.В. Киев: Наук, думка, 1985.- 136 с.

24. Штагер Е.А. Рассеяние радиоволн на телах сложной формы. -М.: Радио и связь, 1986. 184 с.

25. Борзов А.Б., Быстров Р.П., Соколов A.B. Анализ радиолокационных характеристик объектов сложной пространственной конфигурации. // Электронный журнал "Журнал радиоэлектроники", № 1, 1998.

26. Писаревский И.Ф., Маршалов Т.А. Анализ структуры доплеров-ского сигнала от сложной цели. // Проблемы объектовой охраны: Сб. науч. тр. Вып 2. - Пенза: Изд-во ИИЦ ПГУ, 2001.

27. Писаревский И.Ф., Евдокимов Н.О. Повышение точности оценки интенсивности помехи от поверхности земли в адаптивных радиолокационных обнаружителях. // Проблемы объектовой охраны: Сб. науч. тр. — Вып 2. Пенза: Изд-во ИИЦ ПГУ, 2001.

28. Борзов А.Б., Соколов A.B., Сучков В.Б. Методы цифрового моделирования радиолокационных характеристик сложных объектов на фоне природных и антропогенных образований. // Электронный журнал "Журнал радиоэлектроники", № 3, 2000.

29. А.Б.Борзов, А.В.Соколов, В.Б.Сучков. Цифровое моделирование входных сигналов систем ближней радиолокации от сложных радиолокационных сцен.// Успехи современной радиоэлектроники, № 9-10, 2004.

30. Эффективная площадь отражения тел вращения произвольной формы. / Ву Тэкао. ТИИЭР: Пер. с англ., 1989, т. 77, № 5, 112-118 с.

31. Андре Анго. Математика для электро- и радиоинженеров. М.:1. Наука.

32. Федоров H.H. Основы электродинамики: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. школа, 1980. - 399 с.

33. Бакулев П.А., Стёпин В.М. Методы и устройства селекции движущихся целей. М.: Радио и связь, 1986. - 288 е.

34. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. Нью-Йорк, 1970. Пер. С англ. (в 4 томах) под общей ред. К.Н. Трофимова. Том 2. Радиолокационные антенные устройства. Под ред. П.И Дудника. М.: Сов. Радио, 1977.-408 с.

35. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М., «Наука» (Главная редакция физико-математической литературы), 1972. 424 с.

36. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. Нью-Йорк, 1970. Пер.с англ. (в 4 томах) под общей ред. К.Н. Трофимова. Том 1. Основы радиолокации. Под ред. Я.С Ицхоки. М.: Сов. Радио, 1976, 456 с.

37. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Корн Г., Корн Т. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. —1984.

38. Оленин Ю.А. Системы и средства управления физической защитой объектов: Монография. — Пенза: Информационно-издательский центр ПГУ, 2002.-212 с.

39. Оленин Ю.А Основы систем безопасности объектов: Учеб. пособие: Часть 1.- Пенза: Информационно-издательский центр Пенза гос. Унта,2002. 122 с.

40. Винницкий A.C. Очерк основ радиолокации при непрерывном излучении радиоволн. М.: Сов. Радио., 1961 496 с.

41. Справочник по радиолокации. Под ред. М. Сколника. Нью-Йорк, 1970. Пер.с англ. (в 4 томах) под общей ред. К.Н. Трофимова. Том 3. Радиолокационные устройства и системы. Под ред. А.С Виницкого. М.: Сов. Радио, 1978.-528 с.

42. Смирнов П.Т. Цифровые фазометры. JL; Энергия, 1974.

43. Галахова О.П., Котик Е.Д., Кравченко С.А. Основы фазометрии. JL; Энергия, 1976.

44. Цифровые анализаторы спектра/В. Н. Плотников, A.B. Белинский, В. А. Суханов, Ю. Н. Жигулевцев. М.: Радио и связь, 1990. - 184 с.

45. Марпл.-мл. C.JI. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. - 584 с.

46. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем: Учеб. пособие для вузов. — М.: Радио и связь, 1991.-608 с.

47. Пановко Я. Г. Введение в теорию механических колебаний. Изд.З. //, 1991.

48. Состояние и развитие систем физической защиты. Сборник научных трудов. М.: Дортанспечать, 2008. — 350 е.: ил.

49. Магауенов Р. Г. Системы охранной сигнализации: основы теории и принципы построения: Учебное пособие. — М.: Горячая линия — Телеком, 2004. 367 с.

50. Сосулин Ю.Г. Теоретические основы радиолокации и радионавигации: Учеб. Пособие для вузов. М.: Радио и связь, 1992. - 304 с.

51. Информационные технологии в радиотехнических системах:

52. Учебное пособие / В.А. Васин, И.Б. Власов, Ю.М. Егоров и,др.; Под ред. И.Б. Федорова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - 672 с.52: Бакулев П.А. Радиолокационные системы. Учебник для вузов. -М.: Радиотехника, 2004. 320 с.

53. Городецкий А.Я. Информационные системы. Вероятностные модели и статистические решения. Учеб. пособие СПб: Изд-во СПбГПУ, 2003. 326 с.

54. Перов А.И. Статистическая теория радиотехнических систем. Учеб. пособие для вузов. М.: Радиотехника, 2003. 400 с.

55. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1989. — 656 с.

56. Климонтович Ю.Л. Статистическая теория открытых систем. М.: Янус, 1995.

57. Дынкин Е.Б. Марковские процессы. М.: Физматгиз, 1963-860 с.

58. Блейхут Р. Быстрые алгоритмы цифровая обработка сигнала: Пер. с англ. М.: Мир, 1989. - 448 с.

59. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы. Учеб. пособие для вузов. М.: Энергия, 1974. — 320 с.

60. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: Учебник для вузов. 2-е изд. СПб.: Питер, 2006. - 751 с.:ил.

61. Еремеев В.П., Матосов Э.В. Реализации многоканальных полифазных узкополосных фильтров. Computer Modelling and New Technologies, 1999 г.

62. Robert Keith Harman. US2002/0060639A1, G01S13/62, 2002 r. (Southwest Microwave, Inc.).

63. Masatoshi Tsuji. US 2004/0222887A1, G08B 13/18, 2004 r.

64. Stefan Hegnauer. US 6380882B1, GO IS 13/56, 2002 r. (Siemens Building Technologies AG).

65. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. пособие для вузов/ Д.В. Васильев, М.Р. Витоль, Ю.Н., Горшенков и др.; Под ред. К.А. Самой-ло. М.: Радио и связь, 1982. - 528 с.

66. Денисенко А.Н. Сигналы. Теоретическая радиотехника. Справочное пособие.-М.: Горячая линия-Телеком, 2005.

67. Вудворд Ф.М. Теория вероятности и теория информации с применениями в радиолокации. Пер. с англ. Под ред. Г.С. Горелика. М.: Сов. радио, 1955.68.www.southwestmicrowave.com

68. Олянюк П.В., Астафьев Г.П., Грачёв В.В. Радионавигационные устройства и системы гражданской авиации. М.: Транспорт, 1983.

69. Волошин С.Б. и др. Радионавигационные системы сверхдлинноволнового диапазона. М.: Радио и связь, 1985.

70. Матвиенко А.Е., Лебедев Л.Е., Чураков П.П. Функция рассогласования по дальности радиолокационного устройства ближнего действия на основе ЛЧМ. Инфокоммуникационные технологии, 2008, т.6, Спец. выпуск «Технологии безопасности и охраны». с. 91-96.

71. Чураков П.П., Матвиенко А.Е. Патент № 2360265 Россия, МКИ G01S 13/56. Способ радиолокационного обнаружения подвижных целей с фазовой селекцией по дальности и устройство для его реализации. Дата публикации 27.06.2009 г.

72. Чураков П.П., Матвиенко А.Е., Лебедев Л.Е. Свойства функции рассогласования по фазе сигнала радиолокационной системы с многочастотной фазовой селекцией по дальности. Современные технологии безопа-стности, 2006, №.1-2. с. 27-30.