Спосіб вирівнювання температур радіояскравостi об’єкта і фону на вході радiометричного приймача системи виявлення

Реферат: Спосіб вирівнювання температур радіояскравостi об'єкта і фону на вході радіометричного приймача системи виявлення характеризується тим, що забезпечується одночасне опромінення об'єкта і фону земної поверхні джерелом шумового випромінювання (ДШВ), зворотне випромінювання об'єкта і фону реєструється радіометричним приймачем, рівень потужності джерела шумового випромінювання регулюється до моменту рівності нулю контрасту температур радіояскравостi об'єкта і фону. При цьому джерело шумового випромінювання і радіометричний приймач знаходяться на одній повітряній платформі і на висоті над землею, яка визначається потужністю власного підсвічування/випромінювання ДШВ. UA 119205 U (12) UA 119205 U UA 119205 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до області радіотехніки і призначена для захисту наземних об'єктів з малим коефіцієнтом випромінювання, на тлі земної поверхні з більшим коефіцієнтом випромінювання, від радіометричних систем виявлення. В основі запропонованого методу лежить компенсація "негативного" радіометричного контрасту (РМК) радiояскравостi "об'єкт фон" за рахунок застосування широкосмугового шумового "підсвічування" об'єкта з верхньої півсфери. Широкосмугове шумове випромінювання має "позитивну" температуру радiояскравостi (ТРЯ). Відомий спосіб [пат. US № 4743904, G01S7/38, F41J9/13, від 05.10.1988], що полягає в почерговому вимірі температури радiояскравостi фону земної поверхні і неба, що відповідає рівню випромінювання об'єкта, порівнянні даних температур, тобто визначенні РМК, з подальшим підсвічуванням верхньої півсфери (неба) шумовим випромінюванням з потужністю, достатньою для зниження контрасту радiояскравостi "об'єкт - фон" до величини, що не виявляється сторонніми радіометричними засобами виявлення. Однак є недоліки - сигнал джерела/генератора шуму (ГШ) відрізняється за структурою від випромінювання земної поверхні, так як сигнал ГШ є або вузькосмуговим детермінованим, або вузькосмуговим псевдошумовим, на відміну від природного широкосмугового шумового випромінювання фону земної поверхні. Відомий пристрій для вимірювання температури фону земної поверхні і неба [пат. DE № 2848072, G01S 7/38, F41H 3/00, опубл. 14.08.80], у якому використовуються два радіометри, що не забезпечує повну компенсацію контрасту "об'єкт - фон" з огляду на неідентичності характеристик радіометрів внаслідок впливу дестабілізуючих факторів (зміни температури, напруги мережі та ін.). Внаслідок перерахованих недоліків наведені пристрої не дозволяють забезпечити високу точність компенсації контрасту радiояскравостi. Відомий пристрій, приведений в патенті на корисну модель [пат. ПМ РФ № 128342]. У цьому пристрої реалізований прийом випромінювань неба і землі (підстильної поверхні) одним радіометричним приймачем, обчислення радіометричного контрасту, порівняння контрасту з сигналом, який формується генератором шуму. В результаті порівняння виробляється сигнал управління рівнем випромінюваної потужності генератора шуму. Корисна модель дозволяє підвищити точність компенсації радіометричного контрасту об'єкта на тлі підстильної земної поверхні. До того ж компенсація проводиться в основних частотних піддіапазонах міліметрового діапазону хвиль, використовуваних в засобах виявлення та освоєних зарубіжною і вітчизняною промисловістю. Недоліком є порівняно низька точність компенсації РМК (через наявність елементів ручного керування пристроєм), підвищена складність і неоднозначність трактування компенсації РМК. Неоднозначність полягає в тому, що як РМК використовується не власне випромінювання об'єкта або, іншими словами, вiдбиття випромінювання температури неба об'єктом, а випромінювання неба, відповідне випромінюванню об'єкта. Більш точно в даному випадку було б створювати повністю контраст "об'єкт - фон земної поверхні", що випромінюється в сторону радіометричного приймача системи виявлення. Найбільш близьким є спосіб [С.І. Івашов, А.С. Бугаєв "Використання генераторів шуму в радіометричних системах для виявлення прихованих об'єктів", "Радіотехніка та Електроніка", 2013. - Т. 58, № 9. - С. 935-942], де для виділення ознак (РМК, контраст ТРЯ) для розпізнавання наземних об'єктів з малим коефіцієнтом випромінювання на тлі земної поверхні з більшим коефіцієнтом випромінювання застосовується активне шумове підсвічування широкосмуговим ГШ. При цьому "холодні" на тлі підстильної поверхні об'єкти ставали "гарячими" і більш помітними. Недоліком прототипу є нерегульована або регульована в ручному режимі потужність підсвічування ГШ через що РМК об'єктів змінюється в залежності від відстані між ГШП і об'єктом виявлення і може бути, як "негативним", так і "позитивним". В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення способу вирівнювання температур радiояскравостi (ТРЯ) об'єкта і фону на вході радіометричного приймача (РМП) системи виявлення шляхом одночасного опромінення об'єкта і фону земної поверхні джерелом шумового випромінювання/підсвічування (ДШВ/ДШП), що дозволить зменшити контраст радіояскравості "об'єкт - фон" до малої величини, практично до нуля, що зменшує дальність виявлення об'єкта і істотно знижує ймовірність виявлення радіометричним приймачем системи виявлення, тобто для компенсації радіометричного контрасту (РМК) наземних об'єктів з метою їх маскування. Поставлена задача вирішується тим, що забезпечується одночасне опромінення об'єкта і фону земної поверхні джерелом шумового випромінювання, зворотне випромінювання об'єкта і 1 UA 119205 U 5 10 15 20 25 30 35 фону реєструється радіометричним приймачем (РМП), рівень потужності джерела шумового випромінювання (ДШВ) регулюється до моменту рівності нулю контрасту температур радiояскравостi (ТРЯ) об'єкта і фону, джерело шумового випромінювання і радіометричний приймач знаходяться на одній повітряній платформі і на висоті над землею, яка визначається потужністю власного підсвічування ДШВ. Рівень потужності джерела шумового випромінювання регулюється за допомогою електричного зворотного зв'язку (ЕЗС) між ДШВ і РМП, потужність ДШВ визначається за формулою (1). Приклад 1. На фіг. 1 представлена система, яка реалізує спосіб, що заявляється, для вирівнювання ТРЯ об'єкта і фону на вході РМП системи виявлення. На повітряній платформі 5, на певній висоті над землею - Н, знаходиться джерело шумового підсвічування (ДШП) 3 і власний радіометричний приймач (РМП) 4. Власний РМП 4 і ДШП 3 працюють в одному частотному діапазоні, наприклад, в міліметровому діапазоні радіохвиль, їх смуги частот збігаються. Структура шумового сигналу ДШП 3 аналогічна природному шумовому випромінюванню фону земної поверхні 2. ДШП 3 генерує широкосмуговий шумовий сигнал в сторону наземного об'єкта, поперемінно опромінюючи об'єкт 1 і фон земної поверхні 2. Площа проекції діаграми спрямованості антени ДШП 3 на земну поверхню (фон) – 7. Площа проекції діаграм спрямованості антен РМП 4 i на об'єкт – 8, напрямок променів 9 діаграми спрямованості антен джерела шумового підсвічування (ДШП 3) і радіометричних приймачів (РМП 4 та 6). Потужність сигналу ДШП 3 поступово підвищується до тих пір, поки власний РМП 4 не прийме сигнал з мінімальним (зокрема з нульовим) контрастом "об'єкт - фон ». Мінімальний РМК "об'єкт - фон" - це той поріг, перевищення якого дозволяє РМ системам виявлення 6 прийняти рішення про виявлення об'єкта в даній області простору з необхідною ймовірністю правильного виявлення, наприклад, з ймовірністю, більш D0,9. Мінімальний (нульовий) контраст не дозволяє виявити наземний об'єкт (з необхідною ймовірністю) радіометричному приймачу системи виявлення 6. Прийнято, що РМП 6 системи виявлення має тактико-технічні характеристики, аналогічні характеристикам власного РМП 4. Надалі рівень порогового сигналу на вході власного РМП 4 підтримується постійним, відповідним низькому (зокрема нульовому) рівню контрасту радiояскравостi "об'єкт-фон". Для цього здійснюється корекція рівня сигналу по лінії зворотного зв'язку "власний РМП - ДШП" шляхом регулювання потужності ДШП 3. Приклад 2. Аналітичне підтвердження дії способу. Сумарний контраст радiояскравостi "об'єкт - фон» T являє собою суму "пасивної" радіометричної складової T1 і активної радіолокаційної складової, що формується ДШП T2. Вираз для сумарного контрасту має вигляд [1-4]: T  T1  T2   T12  Q  K  R   Pt  Gt  Gr   2   cos 2   K  2 R   4 3  k f  Rr2  H t2 2 2 d 2  4  S ( )  T12  K ( R) Pt  Gt  Gr     cos   K  2 R    Rr2    2  4 3  k f  Rr2  H t2 40 . (1) У формулі (1) прийняті наступні позначення:  - різниця коефіцієнтів випромінювання об'єкта і фону, T12 - різниця термодинамічної температури і температури підсвічування неба, так звана контрастотвірна, K(R) - коефіцієнт загасання радіохвиль (зокрема радіохвиль міліметрового діапазону - ММД) в приземній атмосфері. Коефіцієнт Q - це відношення площ, він характеризує частку площі, займаної об'єктом в площі проекції діаграми спрямованості антени на земну поверхню,Q1. При конусній апроксимації променя дiаграми спрямованностi антени (ДСА) коефіцієнт відношення площ дорівнює: Q 45 50  d 2  4  S () Rr2  2 . (2) Похила дальність до об'єкта (дальність виявлення або підсвічування) дорівнює RHsec. Rr - дальність виявлення. Пасивна радіометрична складова, є "негативною" величиною. Активна радіолокаційна складова являє собою контраст радiояскравостi об'єкта і фону T2, отриманий з основного рівняння дальності радіолокації, і залежить від потужності джерела підсвічування Pt, висоти Hr (дальностi Rr) виявлення і від певних значень інших величин, що входять в рівняння дальності радіолокації: різниці ефективної поверхні розсіювання об'єкта і фону , коефіцієнта спрямованої дії антени передавача (підсвічування) Gt і радіометричного 2 UA 119205 U приймача Gr, шумових властивостей приймача, тобто від смуги пропускання приймача f, 5 10 15 k  138  10 23 Вт / Гц  K - постійна Больцмана, а також від загасання радіохвиль в атмосфері , K(2R). Активна складова є величиною "позитивною" і при певній величині потужності ДШП, що генерується з певної висоти, має зрівнятися за величиною з пасивною складовою (TпасTакт), що призведе до зниження величини сумарного контрасту радiояскравостi "об'єкт - фон", в межі до нуля. На фіг. 2 приведена залежність величини контрасту радiояскравостi від дальності виявлення Tf(R) пасивною радіометричною системою міліметрового діапазону. Розрахунки проведені при наступних величинах, що входять в формулу (1). Коефіцієнт направленої дії (КНД) антени джерела підсвічування Gt вибирається з тією умовою, щоб джерело підсвічування опромінювало всю сцену "об'єкт плюс фон", наприклад, рупорна антена з КНД Gt=173. КНД 4 антени РМ приймача Gr10 , що характерно для параболічної антени діаметром d=200 мм на довжині хвилі 3,2 мм ("вікно прозорості" атмосфери). Різниця ЕПР об'єкта з металевим покриттям і фону земної поверхні, згідно з положеннями роботи [3], вибрана рівною   10м 2 . Смуга пропускання типового РМП вибрана рівною f  10 9 Гц . Широкосмугова (в тій же смузі частот) шумового підсвічування здійснюється з висоти Ht  1000 м . У формулі (2) дальність 20 25 30 35 підсвічування Rt замінюється висотою Rt=Htsec. Для випадку вертикального підсвічування 0 0 . Для спрощення розрахунків прийнято, що виявлення об'єкта здійснюється в умовах "чистої" безхмарної атмосфери KR=K2R1. Розрахунки проведені для випадку вертикального підсвічування і вертикального візування 0 об'єкта в процесі його виявлення РМП системи виявлення 0 . При цьому об'єкт представляється у вигляді плоскої фігури з площею верхньої поверхні, наприклад S  25 м 2 (дах автомобіля). На фіг. 2 нижня (штрих-пунктирна) крива відповідає залежності величини радіояскравого контрасту від дальності виявлення для пасивної РМ системи, тобто характеризує пасивну складову у виразі (1). При цьому дальність виявлення об'єкта, наприклад, з контрастом більше T1 1K становить величину R  4600 м . Верхня (пунктирна) крива відповідає випадку, коли активна радіолокаційна складова T2 більша за пасивну радіометричну T1. Дана залежність отримана для потужності підсвічування Pt  1 . При цьому дальність виявлення становить R  1600 м . Вт Розглянутий в даному описі випадок представляє середні криві (суцільна і пунктирна). Дані криві отримані при потужності підсвічування Pt  0,9Вт (суцільна) и Pt  0,89 Вт (пунктирна). При цьому величина контрасту радiояскравостi близька до нуля T0K на будь-якій дальності (висоті) виявлення об'єкта, аж до мінімальної дальності Rмин.  355 м , коли працює обмеження по величині коефіцієнта заповнення променя ДСА площею об'єкта, тобто коли Q1. При оцінці контрасту радіояскравостi T1 слід обмежуватися дальністю Rмин. до об'єкта з зазначеними  40 45 50  розмірами S в  25 м 2 . Таким чином, має місце вирівнювання температур радіояскравостi об'єкта з великим коефіцієнтом відбиття радіосигналу і фону земної поверхні з більшим коефіцієнтом випромінювання власного шумового сигналу, за рахунок застосування шумового підсвічування необхідної потужності, на певній висоті. Це дозволяє знизити контраст радіояскравостi "об'єктфон" до малої величини, практично до нуля, що зменшує дальність виявлення об'єкта і істотно знижує ймовірність виявлення об'єктів радіометричними системами виявлення. Джерела інформації:: 1. Миколаїв А.Г. Радіотеплолокація [Текст] / А.Г. Миколаїв, С.В. Перцов / М.: Сов. Радіо, 1964. - 336 c. 2. Есепкина Н.А. Радіотелескопи і радіометри [Текст] / Н.А. Есепкина, Д.В. Корольков, Ю.Н. Парийский / М.: Наука, 1973. - 416 с. 3. Skolnik M.I. Radar Handbook, 3rd Edition [Text] / McGraw-Hill Professional, 2014. - 1352 р. 4. Матричні радіометричні кореляційно-екстремальні системи навігації літальних апаратів: Монографія [Текст] / В.І. Антюфеев, В.Н. Биков, А.М. Гричанюк, Д.Д. Іванченко, М.М. Колчигін, В.А. Краюшкин, А.М. Сотников. - Х.: Вид-во ТОВ "Щедра садиба плюс", 2014. - 372 с. 55 3 UA 119205 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Спосіб вирівнювання температур радіояскравостi об'єкта і фону на вході радіометричного приймача системи виявлення, який характеризується тим, що забезпечується одночасне опромінення об'єкта і фону земної поверхні джерелом шумового випромінювання (ДШВ), зворотне випромінювання об'єкта і фону реєструється радіометричним приймачем, рівень потужності джерела шумового випромінювання регулюється до моменту рівності нулю контрасту температур радіояскравостi об'єкта і фону, джерело шумового випромінювання і радіометричний приймач знаходяться на одній повітряній платформі і на висоті над землею, яка визначається потужністю власного підсвічування/випромінювання ДШВ. 4 UA 119205 U Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5