Моделирование влияния помех от водной поверхности на антенны

Введение

В модели визуального наблюдения оценка и обнаружение объекта на фоне сильно зашумленной окружающей среды — это технически вычислительно сложная задача. Основная цель статьи — идентифицировать объект из мульти­модели фона с использованием вычитания фона и вычитания влияния интерференции и определить методы удаления шума. Для этого нужно обнаружить и извлечь информацию, отраженную от объекта, из фонового изображения.

После обнаружения объекта может появиться большое количество возможных ухудшений качества принимаемой информации. Общий признак ухудшения приема — размытость, движение и шум. Размытие отражения может возникать, когда объект находится за пределами дальности обнаружения, что приводит к потере информации во время экспозиции.

Результаты исследований

Важное применение — полуактивное самонаведение ракет. Ракета имеет приемник и антенну. Ракетный приемник получает два приема для одной и той же радиолокационной передачи: один по пути «радар-ракета» и один по пути «радар-цель-ракета». Различия в задержке и доплеровском сдвиге между ними, угол к цели, а также скорость их изменения могут полностью или частично использоваться для задач самонаведения. Характеристики отражения цели в различных ситуациях различаются.

Мощность помех на входе приемника РЛС

Помехи от моря — функция fnPsea1, предназначена для расчета мощности мешающих отражений от взволнованной поверхности моря P_M на входе приемника РЛС.

Синтаксис: y = fnPsea1(Pu,Gm,tv,ti,p%,zpm,kd,fi,Hm,Ha,R,b5,fb,eo,c1,c2).

Входные формальные параметры:

• Pu — импульсная мощность передающего устройства РЛС (P_и);
• Gm — максимальный КНД антенны РЛС (G_m);
• tv — длина волны РЛС (l);
• ti — длительность зондирующего импульса (t_и);
• p% — признак поляризации облучающего морскую поверхность электромагнитного поля: p% = 1 — вертикальная поляризация; p% = –1 — горизонтальная поляризация;
• zpm — потери мощности помехи при обработке (h, дБ);
• kd — удельный (погонный) коэффициент затухания (d, дБ/км);
• fi — ракурс морской волны (f) — угол между направлением облучения и нормалью к фронту морской волны (f = 0 при облучении навстречу волне);
• Hm — средняя высота морской волны (h_м);
• Ha — высота расположения антенны РЛС над уровнем моря (h_а);
• R — наклонная дальность до цели (R);
• b5 — ширина ДНА по уровню половинной мощности в вертикальной плоскости (Db_0,5);
• fb — уровень боковых лепестков ДНА (f б);
• eо — угол подъема оси ДНА над плоскостью горизонта (e₀);
• c1 — характеристический угол e₁ для косекансной ДНА; равен 0 для симметричной ДНА;
• c2 — ширина ДНА в вертикальной плоскости по уровню половинной мощности De_0,5 для симметричной ДНА.

Ограничения: h_а< R. Кроме того, для упрощения принято, что e₃ = 2e₂.

В программе использованы функции fnRcsm1, fnFg2#, fnFd2 и fnApt1.

Математическое описание задачи

В общем случае сигнал помехи от взволнованной поверхности моря складывается из сигнала, принятого по главному лепестку ДНА, и сигнала, принятого по боковым лепесткам ДНА.

Мощность отраженного от взволнованной поверхности моря сигнала, принимаемого по главному лепестку ДНА P_мг, составляет:

а мощность отраженного от взволнованной поверхности моря сигнала, принимаемого по боковым лепесткам ДНА P_мб, равна:

V_м — интерференционный множитель, равный:

C — скорость распространения радиоволн (3×10⁸ м/с); k_з — коэффициент затухания при распространении радиоволн в тропосфере (см. функцию fnFd2); s₀ и s_б0 — удельная ЭПР взволнованной морской поверхности при облучении ее главным и боковыми лепестками соответственно; f(e_м) — значение нормированной ДНА под углом e_м (см. функцию fnApt1); Db_м — ширина главного лепестка ДНА в горизонтальной плоскости на уровне угла облучения морской поверхности относительно оси ДНА, показано на рисунке, рассчитываемая в зависимости от типа ДНА по формулам:

для симметричной ДНА:

для косекансной ДНА:

с заменой угла e_пр на угол e_м, который равен:

Общая мощность отраженного от взволнованной поверхности моря сигнала на входе приемника РЛС равна:

P_м = P_мг + P_мб,

если ε_м ≤ Δε_fб / 2 (для симметричной ДНА) или –e_с ≥ e₃ (для косекансной ДНА). При этом:

l₆ = R(2πcosε_c − ∆β_M)

P_м = P_мб,

если e_м > Δe_fб / 2 (для симметричной ДНА) или –e_с< e_з (для косекансной ДНА). При этом l₆ = 2pRcose_c.

Рис. Геометрические соотношения при облучении моря

Листинг программы в MatLab:

function y = fnPsea1 (Pu,Gm,tv,ti,p,zpm,kd,fi,Hm,Ha,R,b5,fb,eo,c1,c2)
d=2*sqrt(-log(fb)/2.78);
a=4*Ha*Hm/tv;
c3=c2+c2;
if R<a
v=6;
else
v=6*(a/R)^4;
end
a=Ha/R;
e=tan(a/sqrt(1-a*a));
a=75589.534*Pu*Gm*Gm*tv*tv*10^(-.1*zpm)*ti*v*fnFd2(kd,R)/R^3;
v=cos(e);
em=-eo-e;
%Для с1=0
if c1==0
g=c2*d;
if abs(em)>g/2
v=2;
a=a*fnRcsm1(-1,p,e,fi,Hm)*fb*fb*6.283185307;
return
end
g=em/g;
g=b5*d*sqrt(1-4*g*g);
d=fnApt1(em,eo,c1,c2,fb);
end
%Для с1 не равного 0
if c1~=0
if -e<c3
v=2;
a=a*fnRcsm1(-1,p,e,fi,Hm)*fb*fb*6.283185307;
return
end
g=(em+eo-(c1+c3)/2)/(c1-c3);
g=b5*d*sqrt(1-4*g*g);
d=fnApt1(em,eo,c1,c2,c3);
end
if v>1
y=a;
else
y=a/v*(b5*.7516878*d*d*fnRcsm1(1,p,e,fi,Hm)*(2*fnFg22(1.6673332*g/b5)-1)+fb*fb*fnRcsm1(-1,p,e,fi,Hm)*(6.283185307*v-g));
end
end

Результаты работы программы

В данном примере в качестве исходных заданы следующие величины:

• Pu = 100 000 — импульсная мощность передающего устройства РЛС;
• Gm = 1000 — максимальный КНД антенны РЛС;
• tv = 0,1 м — длина волны РЛС;
• Ti = 10^-6 — длительность зондирующего импульса;
• p = 1 — признак поляризации облучающего морскую поверхность электромагнитного поля, в примере использована вертикальная поляризация;
• zpm = 5 — потери мощности помехи при обработке (дБ);
• kd = 0,2 — удельный (погонный) коэффициент затухания (дБ/км);
• fi = 1 — ракурс морской волны (f) — угол между направлением облучения и нормалью к фронту морской волны;
• Hm = 2 — средняя высота морской волны;
• Ha = 20 — высота расположения антенны РЛС над уровнем моря;
• R = 10 000 — наклонная дальность до цели;
• b5 = 0,1 — ширина ДНА по уровню половинной мощности в вертикальной плоскости;
• fb = 0,01 уровень боковых лепестков ДНА.

Вычисления проводились для общей мощности отраженного от взволнованной поверхности моря сигнала на входе приемника РЛС:

1. При c1 = 0 рассматривали симметричную диаграмму направленности, c2 = 0,1, ширина ДНА в вертикальной плоскости по уровню половинной мощности De_0,5 для симметричной ДНА, для разных значений угла подъема оси ДНА над плоскостью горизонта e0^

• • ans = 5,2598e-17 при e0 = 0,01;
  • ans = 4,3509e-17 при e0 = 0,011;
  • ans = 4,0800e-17 при e0 = 0,012.

2. При с1 = 1 характеристический угол e₁ для косекансной ДНА, рассматривали косекансную ДНА, e0 = 0,2 угол подъема оси ДНА над плоскостью горизонта (e₀); для разных значений характеристического угла e₂ для косекансной ДНА:

• • ans = 3,0024e-15 при с2 = –0,01;
  • ans = 3,0981e-15 при c2 = –0,011;
  • ans = 2,2504e-15 при c2 = –0,005.

Выводы

Для симметричной антенны с увеличением угла подъема оси диаграмма направленности антенны над плоскостью горизонта и общая мощность отраженного от взволнованной поверхности моря сигнала на входе приемника РЛС повышается.

Для косекансной антенны с уменьшением характеристического угла c2 отраженная от взволнованной поверхности мощность на приеме РЛС уменьшается.