Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в связи с совершенствованием элементной базы и повышением возможностей вычислительной техники возрастает интерес к построению многофункциональных бортовых радиолокационных систем (БРЛС). В то же время возможности БРЛС значительно расширяются за счет оснащения их функцией измерения радиотеплового поля. Включение радиометра в состав БРЛС и совмещение активного радиолокационного канала с пассивным радиометрическим оправданы значительным улучшением габаритно-массовых характеристик и уменьшением площади раскрыва антенны, улучшением скрытности работы и получением новой информации. При этом наиболее габаритные элементы пассивного радиометрического канала (антенная система, волноводный тракт) будут общими для пассивного и активного каналов. Объем же радиометрического приемника, выполненного на современной элементной базе, составит не более 1 % объема приемопередатчика активного канала.
Кроме того, большинство БРЛС оснащаются моноимпульсными антенными системами (МАС), в которых присутствуют два канала, и соответственно коммутация производится между двумя этими каналами. В связи со сложностью процессов измерения радиотепловых контрастов в условиях флюктуационных шумов актуальной является задача создания модели радиометра, которая бы учитывала возможности МАС для радиометрических измерений в составе БРЛС, а также позволяла повысить разрешающую способность при оценивании радиотеплового контраста по угловым координатам и соответственно с повышенной точностью решать задачи поиска и сопровождения объектов.
Построение модели радиометрического приёмника с высокой разрешающей способностью и повышенной точностью относится к классу обратных задач, при решении которых по следствию необходимо определять причину того или иного события. К обратным задачам, в частности, относятся задачи восстановления радиолокационных сигналов и изображений, получаемых с помощью разного рода измерителей. В общем виде подобная задача не решается, так как является некорректной, т. е. неустойчивой, особенно при наличии флюктуационных шумов. Исследованию и получению решений по-
добных задач посвящены работы А. Н. Тихонова, В. Я. Арсенина, В. П. Перова, Н. Винера, Л. Люси, Э. Сейджа, Д. Мелса и др.
Решениям обратных задач при восстановлении радиотеплового изображения посвящены работы представителей таких известных научных школ, как школы Пирогова (МГУ: Пирогов Ю. А., Гладун В. В., Тимановский А. Л.) и Гайковича (НИРФИ: Гайкович К. П., Жилин А. В.).
Несмотря на большое число публикаций, посвященных решению некорректных обратных задач, в том числе и задач восстановления сигналов и изображений, практически отсутствуют работы по синтезу моделей процессов измерения радиотеплового изображения, учитывающих такие критерии, как малый объем вычислительных ресурсов и необходимость значительной скорости обработки радиотепловых сигналов, что является ограничением в работе многофункциональных БРЛС. Отсутствуют также математические модели радиометрических измерителей, позволяющие учитывать возможности МАС для радиометрических измерений в составе БРЛС.
Таким образом, разработка математической модели радиометра с МАС в составе БРЛС, а также создание модели процесса измерения радиотепловых контрастов объектов, позволяющей повысить угловое разрешение радиометра в условиях флюктуационных шумов без увеличения апертуры антенны при поиске и сопровождении объектов, является важной и актуальной задачей. Успешное решение этой задачи может в итоге существенно улучшить технические характеристики и обеспечить многофункциональность БРЛС.
Цель работы состоит в разработке математической модели радиометрического измерителя бортовой радиолокационной системы с моноимпульсной антенной и создании на ее основе алгоритма, позволяющего при реализации повысить точность углового измерения при поиске и сопровождении объектов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие взаимосвязанные задачи:
- выполнить анализ современных методов моделирования процессов восстановления радиотепловых контрастов, а также обосновать необходимость разработки новых математических моделей измерителя радиотепловых контрастов с МАС и самого процесса измерения;
разработать математическую модель радиометра с MAC, реализация которой обеспечит повышение углового разрешения радиометра в условиях флюктуационных шумов без увеличения апертуры антенны при поиске и сопровождении объектов;
создать модель процесса измерения радиотепловых контрастов; объектов и провести её оптимизацию, что позволит повысить точность углового измерения при поиске и сопровождении объектов;
синтезировать алгоритмы поиска и сопровождения объектов с учётом особенностей работы радиометра в БРЛС;
провести теоретическое и натурное исследования разработанных моделей с использованием предложенных алгоритмов с целью оценки их адекватности.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использовались линейные методы прикладной спектральной теории оценивания (в частности, оптимального оценивания) при решении некорректных задач, методы оптимальной фильтрации Калмана, методы математического моделирования, численные методы, а также статистические методы анализа данных.
Соответствующие теоретические исследования проводились с использованием сред программирования MATLAB и C++Builder.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
разработана математическая модель радиометра с MAC, реализация которой позволила повысить результирующее угловое разрешение, эквивалентное увеличению линейного размера апертуры антенны в 1,4 раза;
-
предложена модель процесса измерения радиотепловых контрастов объектов, которая дала возможность повысить точность углового измерения при поиске и сопровождении объектов;
-
разработаны и программно реализованы алгоритмы, обеспечивающие процесс измерения радиотепловых контрастов объектов при поиске и сопровождении с учётом особенностей работы радиометра в БРЛС.
Теоретическая значимость работы заключается в обосновании преимущества:
- модели модуляционного радиометра с MAC и ослаблением
в одном из приёмных каналов, позволяющей повысить результи
рующее угловое разрешение, эквивалентное увеличению линейного
размера апертуры антенны в 1,4 раза;
- модели процесса измерения радиотепловых контрастов объектов, позволяющей повысить точность углового измерения при поиске и сопровождении объектов.
Практическая значимость работы заключается в возможности использования математических моделей и программно исполненных алгоритмов, реализующих процесс измерения радиотепловых контрастов объектов при поиске и сопровождении, а также построение перспективных образцов многофункциональных малогабаритных БРЛС.
На защиту выносятся:
-
математическая модель радиометра с MAC, отличающаяся от ранее известных тем, что в ней учтена возможность получения коммутируемых сигналов с помощью MAC амплитудного типа с суммарно-разностным преобразователем или без него и ослабления одного из коммутируемых сигналов;
-
математическая модель процесса измерения радиотепловых контрастов объектов, позволяющая повысить точность углового измерения при поиске и сопровождении объектов без увеличения апертуры антенны;
-
алгоритмы, реализующие процесс измерения радиотепловых контрастов объектов при поиске и сопровождении с учётом особенностей работы радиометра в БРЛС;
-
интерпретация натурного эксперимента радиометрического измерителя на основе математической модели процесса измерения радиотепловых контрастов объектов в режиме поиска.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты исследования по теме диссертации нашли применение в ОАО «УПКБ "Деталь"» при разработке радиометрического канала БРЛС обзора земной поверхности, а также были использованы в учебном процессе Пензенского государственного университета.
Результаты внедрения подтверждены соответствующими документами.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных симпозиумах «Надёжность и качество» (г. Пенза, 2003, 2006-2008 гг.); всероссийских научно-технических конференциях «Радиовысотометрия» (г. Каменск-Уральский, 2004, 2007 гг.), «Современные проблемы радиоэлектроники» (г. Красноярск, 2005, 2008 гг.), «Исследование и
перспективы разработки в авиационной промышленности» (г. Москва, 2005 г.); Международной научно-технической конференции «Современные информационные технологии» (г. Пенза, 2007 г.).
Оригинальность технических решений на основе предложенных моделей подтверждена патентом на изобретение РФ № 2285940.
Достоверность и обоснованность результатов обеспечивается корректным применением методов математического моделирования, прикладной спектральной теории оценивания и оптимальной фильтрации Калмана, сравнением полученных результатов с известными аналитическими и численными расчётными и экспериментальными данными, а также с результатами экспериментов.
Публикации. Опубликовано 17 печатных работ, из них 11 по теме диссертационной работы, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, и 1 патент РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка литературы и приложений.
Похожие диссертации на Моделирование измерений радиотепловых контрастов в задаче поиска и сопровождения объектов
