МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ ТРЕБОВАНИЙ К РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СКРЫТНОСТИ НЕПОДВИЖНЫХ НАЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ

НАУКА И ВОЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ № 3/2007, стр. 14-18

МЕТОДИКА ОБОСНОВАНИЯ ТРЕБОВАНИЙ К РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СКРЫТНОСТИ НЕПОДВИЖНЫХ НАЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ

УД К 621396.96

Старший лейтенант А.А. АНТОНЕНКО,

адъюнкт Военной академии Республики Беларусь

Полковник С.А. ГОРШКОВ,

начальник кафедры Военной академии Республики Беларусь,

кандидат технических наук, доцент

Полковник А.В.ХИЖНЯК,

начальник кафедры Военной академии Республики Беларусь,

кандидат технических наук, доцент

С.А. САВЕНКО,

главный научный сотрудник

Научно-исследовательского института Вооруженных Сил Республики Беларусь,

доктор технических наук, профессор

РЛС с синтезированием апертуры антенны используются в различных областях человеческой деятельности, в частности, как одна из составляющих информационного обеспечения высокоточного оружия. В статье кратко рассматривается состояние, возможности и перспективы развития таких РЛС. Обсуждается проблема пассивного противодействия современным и перспективным РСА. Предлагается методика обоснования требований к радиолокационной скрытности наземных объектов.

1. Состояние, возможности и перспективы развития РЛС с синтезированной апертурой как элементов информационной подсистемы управления ВТО

Бортовые РЛС с синтезированием апертуры антенны (РСА) используются для решения задач обнаружения наземных объектов и наведения на них ударных средств уже около полувека. При всех достоинствах, один существенный недостаток сдерживал их повсеместное применение - большой объем оборудования и проблемы обработки информации в реальном масштабе времени. Получавшиеся радиоизображения (РЛИ) земной поверхности были достаточно дорогими. На получение и анализ радиоизображений уходили часы и дни.

В течение последних десяти - пятнадцати лет бурное развитие цифровой элементной базы, микроминиатюризация элементов СВЧ тракта обусловили качественный скачок в развитии методов и технических средств радиолокации. Это привело к существенному (на порядки) повышению качества и информативности РЛИ, а также к снижению стоимости их получения. Современные РСА по разрешающей способности начинают приближаться к дифракционному пределу и реализуют на практике концепцию радиовидения. Однако информативность получаемых РЛИ повышается не только за счет улучшения разрешающей способности. Важными направлениями развития РСА являются:

переход к полному поляризационному приему;

использование методов интерферометрии и томографии;

использование СА в РЛС метрового диапазона;

сочетание на одном носителе РСА различных диапазонов волн (например, сантиметрового, дециметрового и метрового);

планирование развертывания многопозиционных космических или авиационно-космических РСА.

В качестве носителей РСА используются воздушные летательные аппараты и космические спутники; обработка РЛИ может осуществляться в реальном масштабе времени, а их разрешение в картинной плоскости уже сегодня может достигать квадрата со стороной 10 см. Основное достоинство РСА по сравнению с оптическими системами обзора наземной поверхности - всепогодность и круглосуточность. РСА способны получать РЛИ наземных объектов в условиях маскировки их задымлением, маскирующими комплектами и т.п., в том числе при скрытии их под покровом лесных массивов.

Примеры РСА военного назначения. Различают РСА космического и воздушного базирования. Последние могут быть расположены на самолетах и беспилотных летательных аппаратах (БИЛА).

РСА космического базирования. «Сисат» (США, 1978 г., [1]). Высота полета около 800 км, скорость 6,6 км/с. Размер антенны 2,2x10,7 м. Длина волны λ=0,235 м. Обзор боковой (α=90°). Полоса частот Δf0 =19 МГц. Время когерентного накопления 7=0,68 с. Частоты следования импульсов 1463,1537 и 1645 Гц обеспечивают однозначное измерение дальности в полосе наблюдения 100 км. Реальная разрешающая способность оценивалась квадратом со стороной 25 м.

На смену «Сисат» пришли гораздо более совершенные разведывательные спутники серии «racrosse». Всего с 1988г. было запущено 5 таких спутников (последний - 30 апреля 2005 г.). Разрешение оценивается квадратом около 1x1 м (точных данных нет). Есть режим селекции движущихся целей. Периодичность контроля - 10 - 12 раз в сутки. В настоящее время эксплуатируются 4 штуки. Они активно использовались на всех этапах войны в Ираке.

Самолетные РСА. Система JSTARS [2] с РСА AN/APY-3 обеспечивает обнаружение, классификацию и слежение за бронетанковой техникой на всю глубину оперативного построения войск противника в полосе одного-двух армейских корпусов независимо от погодных условий и времени суток. Разрешающая способность - 3x3 м. Дальность действия 250 - 300 км. Обеспечивает информацией до 2000 корреспондентов. Возможности существенно расширены приемом данных от других источников и трансляцией необработанных данных на наземные пункты. Использовался в Ираке.

РСА беспилотных летательных аппаратов. БПЛА Global Hawk. Способен вести патрулирование на удалении более 2000 км от пункта управления в течение 24 часов на высоте свыше 21 000 м. Обеспечивает разрешение до 0,3x0,3 м.

Тенденции развития РСА. Тенденции развития РСА определяются необходимостью повышения контрастности, разрешающей способности, информативности и достоверности изображений. К ним относят:

использование дополнительных признаков селекции целей на фоне других объектов;

получение трехмерной информации о наблюдаемой поверхности путем многоканального приема.

Использование дополнительных признаков селекции целей на фоне других объектов. К дополнительным признакам относят поляризационные, многодиапазонные, широкополосные и многопозиционные (бистатические) признаки.

Рациональный выбор поляризаций передающей и приемной антенн, особенно адаптивный, улучшает условия наблюдения целей, повышает достоверность классификации наблюдаемых объектов. На рис. 1 показаны радиолокационные изображения участка земной поверхности, полученные в линейном поляризационном базисе на двух согласованных (рис. 1 аи 1 в) и кроссовой поляризациях (рис. 1 б). Корабль, расположенный на фоне спокойной водной поверхности, наилучшим образом наблюдается на радиоизображении, полученном при использовании кроссовой поляризации. С другой стороны, особенности земного покрытия лучше выделяются на согласованных поляризациях.

Тенденцию многодиапазонности можно пояснить изображениями земной поверхности, полученными летающей лабораторией ИМАРК [3] (Россия) при λ≈4 см и λ≈2,5 м.

Важной тенденцией развития РЛС с синтезом апертуры в различных диапазонах является повышение разрешающей способности по дальности за счет широкополосности, сочетаемое с повышением угловой разрешающей способности за счет увеличения размера синтезируемой апертуры. Пример участка большого экспериментального панорамного изображения здания рейхстага в Берлине, полученного с расстояния 30 км в диапазоне Ku с разрешающей способностью 10x10 см, показан на рис. 2. Полоса частот 1,8 ГГц реализуется в результате пятиканальной обработки ЛЧМ импульсов, разделенных по частоте и по времени. Антенна в законченном виде представляет собой активную антенную решетку из 256 приемно-передающих рупорных модулей, расположенную под крыльями самолета С-160. Обзор по азимуту ±45°. Селектируются движущиеся цели.

Многопозиционность. В ближайшей перспективе планируется размещение в космосе микроспутникового многопозиционного активно-пассивного радиолокационного комплекса, включающего базовый спутник с РСА, работающей на передачу и прием, и несколько значительно более дешевых вспомогательных спутников с РСА, использующими сигнал подсвета земной поверхности базовой РЛС [4].

Получение трехмерной информации о наблюдаемой поверхности. Обеспечивается путем многоканального интерферометрического приема при высоком дальностном разрешении.

Проблема пассивного противодействия современным и перспективным РСА

Выделяют два основных метода пассивного противодействия РСА: маскировка (снижение радиолокационной заметности) и имитация.

Основная проблема снижения радиолокационной заметности неподвижных наземных объектов сводится к необходимости выравнивания отражательных характеристик с окружающим фоном. В этом состоит основное отличие от проблемы маскирования подвижных объектов, суть которой заключается в необходимости уменьшения их эффективной отражающей поверхности (ЭОП).

Проблема имитации наземных объектов сводится к снижению контрастности истинных объектов на фоне ложных.

Как проблема маскирования, так и имитации осложняются в связи с повышением информативности радиолокационных изображений, получаемых современными и перспективными РСА. В результате возникает необходимость пересмотра требований к средствам и способам решения задач пассивного противодействия. Ниже приводится методика обоснования обобщенных требований к маскировке наземных объектов от обнаружения их современными и перспективными РСА.

2. Методика обоснования требований к радиолокационной скрытности неподвижных наземных объектов

Решение задачи обоснования требований к радиолокационной скрытности неподвижных наземных объектов сводится к заданию требований к их эффективной отражающей поверхности с учетом окружающего радиолокационного фона и характеристик РСА. Введем ряд упрощающих ограничений. Будем считать, что отражения от подстилающей поверхности в окрестности объекта представляют собой стационарный гауссовский случайный процесс, коррелированный по времени и некоррелированный по пространству (от элемента к элементу разрешения площадью ΔS) с нулевым средним и заданной диспесией (мощностью) . Отраженный сигнал от объекта имеет аналогичные свойства и отличается только мощностью Мешающие отражения и полезный сигнал наблюдаются раздельно на фоне гауссовского белого шума мощностью Форма объекта известна, а его видимая площадь значительно больше, чем площадь ΔS одного элемента разрешения РСА. При этом ведется некогерентное накопление квадратов модулей элементов радиолокационного изображения в пределах контура объекта, а результат накопления сравнивается с верхним и нижним порогами обнаружения. Два порога предусмотрены для обнаружения объектов с положительной или отрицательной дифференциальной контрастностью [13] относительно окружающего фона.

Методика решения задачи обеспечения скрытности (необнаружения) объекта на окружающем фоне может включать ряд следующих этапов:

1. Задание и оценка исходных характеристик РСА;

2. Задание отражательных характеристик местности, на которой расположен объект (оценка удельной эффективной отражающей поверхности (ЭОП) местности), размеров объекта, а также условной вероятности ложной тревоги и пороговой вероятности правильного обнаружения наземного объекта известной формы;

3. Расчет отношения мощности отражений от земной поверхности в пределах элемента разрешения в окрестности цели к мощности внутреннего шума (отношения помеха - шум Рл) на выходе когерентной части устройства обработки РСА;

4. Расчет порогов обнаружения объекта;

5. Определение верхнего и нижнего допустимых значений отношений сигнал - шум, обеспечивающих скрытность объекта на окружающем его фоне.

Отметим ключевые моменты в каждом из перечисленных пунктов.

2.1. Задание и оценка исходных характеристик РСА

Рассмотрим, например, PCA Lynx [7]. Данная РСА разработана компанией General Atomics совместно с Национальной лабораторией Sandia. Она предназначена для использования на средневысотных разведывательных БПЛА и различных типах пилотируемых платформ. Станция обеспечивает получение видовой информации в реальном масштабе времени и в любое время суток. При этом разведываемые объекты могут быть закрыты облаками, дождем или туманом.

Опубликованные тактико-технические характеристики РЛС Lynx сводятся к следующим: рабочая частота - в диапазоне Ки (по некоторым данным - 16 ГГц, длина волны λ=2 см); масса - 52 кг, круговая вероятная ошибка - менее 3 м; дальность действия - порядка 85 км (зависит от погодных условий и требуемой разрешающей способности). В обтекателе диаметром 48,7 см (апертура антенны не более 48 см) установлен карданный подвес, на котором закреплены параболическая антенна со смещенным облучателем, радиопередающее устройство на лампе бегущей волны (ЛБВ) с максимальной импульсной мощностью Р0 = 320 Вт, высоковольтный источник питания и инерциальный измерительный блок. Потребляемая этими устройствами мощность

- менее 550 Вт. РЛС Lynx может работать в трех режимах: маршрутного наблюдения (разрешающая способность составляет 0,3x0,3 м), получения изображений небольших участков местности (разрешающая способность 0,3x0,3 м на дальностях до 55 км; 0,15x0,15 м на дальностях до 45 км и 0,1x0,1 м на дальностях до 35 км) и в режиме индикации движущихся целей.

Коэффициент усиления антенны G, исходя из сведений о ее типе и размере апертуры d0, можно рассчитать с помощью следующего приближенного соотношения [8]

Время синтезирования (когерентного накопления) Ткн можно примерно определить, зная реализуемую в РСА разрешающую способность. Для режима бокового обзора потенциальная линейная разрешающая способность вдоль линии пути равна [121

где α0 - угол между осью главного лепестка диаграммы направленности антенны и линией пути летательного аппарата.

Таким образом, задавшись реализуемой линейной разрешающей способностью dl, дальностью r0 до точки наблюдения и крейсерской скоростью летательного аппарата Vc, можно оценить время синтезирования (когерентного накопления сигнала) Ткн, которое при α0 = 90° будет определяться выражением

Из выражения (3) можно определить, что для dl = 0,1 м на дальности r0 = 35 км и при крейсерской скорости носителя 600 км/ч (167 м/с) время когерентного накопления (время синтеза) должно быть порядка 21с. Так как ширина пятна ДНА на дальности 35 км меньше раскрыва синтезируемой апертуры то можно предположить, что ведется не боковой обзор, а слежение за выбранным участком земной поверхности (телескопический режим работы РСА). Следует заметить, что наличие траекторных нестабильностей носителя, нестабильностей в приемопередающем тракте и в среде распространения радиоволн приводит к паразитным фазовым ошибкам и ограничивает время синтеза сотнями миллисекунд - единицами секунд. Для увеличения времени синтезирования используют более точные датчики, высокостабильные генераторы. Однако наибольший прирост времени когерентного накопления дают различные методы автофокусировки радио изображений [9,10,11]. По наличию характерных блестящих пикселей на РЛИ можно предположить, что в ходе эксперимента применялся метод автофокусировки по опорным (доминирующим) отражателям, в качестве которых использовались расставленные на местности уголковые отражатели.

2.2. Задание отражательных характеристик местности

При расчете удельной ЭОП подстилающей поверхности необходимо учитывать не только тип поверхности, но и угол ее обзора (угол скольжения), а также длину волны. Эмпирическая формула для приближенного расчета удельной ЭОП суши при малых углах места имеет вид [6]

где - угол скольжения в градусах;

f- несущая частота зондирующего сигнала в ГГц;

А1 A2, A3 - коэффициенты, определяемые типом подстилающей поверхности.

Условная вероятность ложной тревоги F определяется как условная вероятность принятия решения об обнаружении цели при наблюдении смеси помехи с шумом. Может быть задана из тактических соображений 10-3 - 10-6.

Пороговая вероятность правильного обнаружения объекта известной формы определяется как максимально допустимая вероятность, при которой использование РСА неэффективно. Грубо может быть задана равной 0,5. Более точно может быть определена путем моделирования тактических ситуаций.

2.3. Расчет отношения помеха - шум на выходе когерентной части устройства обработки РСА

Отношение помеха - шум на выходе когерентной части устройства обработки РСА можно найти следующим образом

где No - спектральная плотность мощности внутреннего шума;

- база сигнала длительностью То и шириной спектра ;

- эффективность когерентного накопления принятого сигнала;

ТП - период повторения зондирующих импульсов;

- эффективная ширина зубца квадрата модуля АЧХ устройства когерентного накопления траекторного сигнала;

- мощность мешающих отражений на выходе когерентной части устройства обработки, собираемая в пределах двухмерного элемента разрешения площадью ΔS;

Р0 - мощность зондирующего импульса;

G - коэффициент направленного действия

приемно-передающей антенны.

Окончательное выражение для отношения помеха - шум примет вид

2.4. Расчет порогов обнаружения

На рис. 3 показаны примеры плотностей вероятности решающей статистики Z при наблюдении мешающих отражений и внутреннего шума pП(z), а также сигнала и внутреннего шума pc(z) при положительной pc1(z) и отрицательной pc2(z) значениях дифференциальной контрастности сигнала и фона. Они представляют собой распределения с одинаковым числом степеней свободы пс , определяемым числом некогерентно суммируемых элементов разрешения ΔS, укладывающихся в пределах видимой площади объекта . Среднее значение решающей статистики для помехи определяется как где - мощность внутреннего шума, а - отношение помеха - шум, определяемое соотношением (6). Верхний и нижний пороги обнаружения определяют условные вероятности ложной тревоги F" и F', соответственно. Суммарная ложная тревога F = F" + F' должна быть задана.

Можно показать, что неизвестные значения порогов могут быть определены путем решения следующих независимых нелинейных уравнений

В дальнейшем для определенности будем считать, что

2.5. Определение верхнего и нижнего допустимых значений отношений сигнал - шум, обеспечивающих скрытность объекта на окружающем его фоне

Условная вероятность правильного обнаружения объекта D на окружающем фоне может быть определена для известных порогов следующим образом (см. рис. 3):

Для определенных выше условий плотность вероятности распределение с числом степеней свободы пс и средним значением - искомое отношение сигнал - шум в элементе разрешения на выходе когерентной части устройства обработки.

С учетом результатов [13, стр. 239], выражение (8) может быть преобразовано к следующему виду

Нелинейное уравнение (9) может иметь одно либо два решения, в зависимости от характеристик сигнала, фона и заданных значений F и D.

На рис. 4 показаны зависимости для двух разных значений и фиксированных допустимые значения ограничены верхним и нижним значениями: При уменьшении отношения помеха - шум до нижний предел для отношения сигнал - шум равен нулю:

При использовании для решения нелинейных уравнений (7) и (9) программы Mathcad-200 li наблюдался рост ошибок при Это обусловлено снижением численной устойчивости используемых в программе методов вычисления гамма-функций при больших значениях аргумента. Для повышения точности расчетов при использовалась гауссовская аппроксимация - распределения, с учетом которой отношение гамма функций выражалось через интеграл вероятности [14, стр. 736]

- преобразованный порог интегрирования;

- интеграл вероятности.

Для перехода от допустимых значений рс к допустимым пределам изменения ЭОП объекта, обеспечивающим его радиолокационную скрытность, используем взаимосвязь между отношением сигнал - шум в элементе разрешения ΔS и удельной ЭОП цели под которой понимается усредненная ЭОП участка отражающей поверхности цели, площадью 1м2

Средняя ЭОП цели, состоящей из большого числа (пс) независимых локальных отражателей, определяется, как известно, суммой ЭОП всех локальных отражателей, откуда, с учетом равенства ЭОП всех элементов разрешения, укладывающихся на объекте и соответствующих им областей локального отражения

3. Пример использования методики определения требований к радиолокационной заметности неподвижного наземного объекта

При моделировании были выбраны следующие исходные параметры: РСА Lynx с максимальной импульсной мощностью передатчика 320 Вт и длиной волны 2 см, высота и скорость полета носителя 10 км и 600 км/ч, соответственно, принятые вероятность ложной тревоги F и пороговая вероятность правильного обнаружения соответствуют значениям 10-6 и 0,5, линейные размеры цели 3,4мх6,5м (танкТ-72Б), скважность q=10, реализуемое разрешение 10см×10см и 3м×3м на дальностях зондирования 35 км и 85 км, соответственно [7].

На рис. 5 приведены примеры графиков зависимостей минимальной и максимальной границ интервала допустимых значений ЭОП объекта прикрытия от значения удельной ЭОП и типа подстилающей поверхности (рис. 5а) и от длины волны (рис. 56), полученные путем использования рассмотренной методики.

Из рис. 5 а видно, что с ухудшением разрешающей способности РСА и ростом удельной ЭОП мешающих отражений возможности обеспечения скрытности расширяются. Следует, однако, помнить, что при высокой разрешающей способности и мощных отражениях от местности необходимо следить за тем, чтобы ЭОП объекта не была меньше допустимого значения. В противном случае объект будет обнаруживаться вследствие появления отрицательной контрастности (черное на белом).

Анализируя результаты, приведенные на рис. 56, можно сделать вывод о том, что при высоком разрешении невозможно выбрать такое допустимое значение ЭОП наземного объекта, которое бы обеспечивало скрытность одновременно в широком диапазоне длин волн зондирующего сигнала. При более низком разрешении интервал допустимых значений ЭОП объекта прикрытия заметно шире, что дает возможность выбора допустимого значения ЭОП объекта, обеспечивающего скрытность в широком диапазоне длин волн ЗС.

На рис. 6 показано семейство зависимостей от угла скольжения Из рисунка видно, что при высоком разрешении существует проблема обеспечения скрытности объекта в широком диапазоне углов скольжения даже при постоянном значении λ.

Итак, мы пришли к следующим выводам:

1. Средняя ЭОП маскируемого неподвижного объекта в радиолокационном диапазоне волн должна находиться между максимальным и минимальным допустимыми значениями. Эти значения зависят как от длины волны РЛС, реализуемой разрешающей способности и угла скольжения, так и от параметров подстилающей поверхности, на фоне которой находится маскируемый объект.

2. В ряде случаев нижняя граница допустимой ЭОП стремится к нулю, что расширяет возможности маскирования.

3. Полное маскирование объектов, видимые площади которых составляют единицы - десятки метров квадратных, практически невозможно для разрешающих способностей современных и перспективных РСА, составляющих доли метра.

ЛИТЕРАТУРА

1. WehnerD. High Resolution Radar. - Norwood: Artech House, 1987.

2. Американская радиолокационная система «ДЖИСТАРС» / Афинов В. // Зарубежное военное обозрение. - 1990. - № 12. - С. 49-53.

3. Мельников Л.Я., Волков В.Г. ИМАРК- многочастотный бортовой комплекс радиолокаторов бокового обзора с синтезированной апертурой// М.: Радиотехника. - 1997. -№ 8. - С. 48-51.

4. Moreira A., Papathanassiou K.P. and Krieger G. Polarimetric SAR Interferometry With a Passive Polarimetric Micro-Satellite Concept, POL-INSAR Workshop, http://earth.esa.int/polinsar, Frascati, Italy, 14-16 January 2003.

5. Papathanassiou K.P, Cloude S.R., ReigberA., Boerner W.M. Multi-baseline Polarimetric SAR Interferomertry for Vegetation Parameters Estimation// in Proceedings ofEUSAR 2000, Munich, Germany, 23-25 May 2000.

6. Kulemin G.P. Milimeter-Wave Radar Fargets and Clutter. - Artech-House, Boston - London, 2003. - 417 с

7. What is LynxAN/APY-8? - http://www.lynxsar.com/over.html.

8. Марков Л.Н. Антенные системы радиоэлектронной техники. - М: Военное издательство, 1993. - 367 с.

9. Кондратенков F.C., Фролов А.Ю. Радиовидение. Радиолокационные системы дистанционного зондирования Земли. - М.: Радиотехника, 2005. - 368с.

10. Метод автофокусировки для телескопического режима работы РСА / Монаков А.А. //Сборник материалов первой международной конференции «Глобальные информационные системы. Проблемы и тенденции развития». - 2006. - с. 402-403.

11. С. Cafforio, С. Prati, E. Rocca. SAR Data Focusing Using Seismic Migration Fechniques. IEEE Fransactions On Aerospace And Electronic Systems, Vol. 27, No. 2. - March 1991. -p. 194-207.

12. Радиоэлектронные системы: основы построения и теория. Справочник. Изд. 2-е, перераб. и доп./Подред. Я.Д. Ширмана. - М.:Радиотехника, 2007. - 512 с.

13. Охрименко А.Е. Основы радиолокации и радиоэлектронная борьба. Часть 1 - Основы радиолокации. - М.: Военное издательство Министерства обороны СССР, 1983 г. - 457 с.

14. М. Абрамовиц, И. Стиган. Справочник по специальным функциям. - М.: Наука, 1979. - 890 с.

---