Рассеяние электромагнитных волн на объектах сложной электрофизической структуры и формы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, доктор технических наук Борзов, Андрей Борисович

• Борзов, Андрей Борисович
• доктор технических наук
• 2000

Оглавление диссертации доктор технических наук Борзов, Андрей Борисович

Введение.

1. Методы исследований рассеяния электромагнитных волн на объектах сложной электрофизической структуры и формы. Построения математических моделей рассеяния ЭМВ.

1.1. Оператор рассеяния объекта локации как основной элемент информационного канала.

1.2. Анализ основных факторов, влияющих на распространение коротких электромагнитных волн.

1.3. Формализация процесса рассеяния ЭМВ на объектах сложной пространственной конфигурации.

1.3.1. Анализ современных методов математического моделирования процесса взаимодействия ЭМВ с объектами сложной формы.

1.3.2. Интегральное представление произвольной совокупности источников вторичного излучения объектов сложной формы.

1.3.3. Энергетические характеристики вторичных полей излучения объектов сложной пространственной конфигурации.

1.4. Анализ рассеивающих свойств малозаметного объекта типа В2 методом математического моделирования.

1.5. Исследование дифракционных полей сложных радиолокационных сцен методом сквозного математического моделирования

1.5.1. Алгоритм формирования суммарного сигнала.

1.5.2. Оценка предельных границ облучения и приема на поверхности сцены.

1.5.3. Спектральная модель сложного зондирующего сигнала.

1.5.4. Модель относительного движения антенной системы.

Выводы к главе

2. Синтез математической модели геометрического образа объекта сложной пространственной конфигурации.

2.1. Аналитическая модель геометрического образа объекта локации

2.1.1. Базовые элементы аналитической модели объекта локации.

2.1.2. Геометрическая модель острых кромок объекта локации.

2.1.3. Анализ условий затенения - маскировки точки на поверхности кусочно-аналитической модели.

2.1.4. Библиотека кусочно-аналитических моделей объектов сложной формы.

2.2. Создание 3-0 модели объектов локации в среде современных систем автоматизированного проектирования

2.2.1. Использование современных систем автоматизированного проектирования и визуализации для создания полигональной модели объекта на фоне рельефа.

2.2.2. Создание рельефа сложной формы в среде системы ЗБМАХ.

2.3. Полигональная модель объекта сложной формы.

2.3.1. Геометрическая модель примитива.

2.3.2. Условия стыковки элементов полигональной геометрической модели

2.3.3. Алгоритм проверки условий затенения точки на поверхности рельефа сложной формы.

Выводы к главе 2.

3. Рассеяние электромагнитных волн на статистически неровных поверхностях.

3.1 Анализ моделей рассеяния различными типами подстилающих поверхностей.

3.2. Электродинамические параметры земных покровов.

3.3. Статистические параметры и характеристики шероховатых поверхностей.

3.4. Общие положения математического моделирования характеристик рассеяния статистически шероховатых поверхностей

3.5. Метод касательной плоскости.

3.6. Метод малых возмущений.

3.7. Модель двухкомпонентных неровностей.

3.8. Современные методы экспериментального исследования характеристик рассеяния подстилающих поверхностей.

Выводы к главе 3.

4. Исследование рассеяния электромагнитных волн с гладкой частью поверхности объектов сложной формы.

4.1. Поле источников на гладкой поверхности импендансного типа

4.2. Оценка вклада вторичных полей рассеяния от плоских элементов кусочно-аналитической модели объекта.

4.3. Анализ вторичных полей рассеяния от поверхностей второго порядка.

4.4. Оценка интегралов Лапласа от источников вторичных полей на прямоугольном растре.

4.4.1. Кубатурная формула оценки осциллирующих интегралов.

4.4.2. Адаптивный алгоритм вычисления двумерных осциллирующих интегралов Фурье методом Филона.

4.4.3. Тестирование адаптивного алгоритма.

Выводы к главе 4.

5. Анализ полей рассеяния коротких радиоволн на острых кромках и двугранных вогнутых структурах.

5.1. Поле рассеяния от ребер объекта сложной формы в апертуре приемной антенны.

5.2. Токи возбуждения в окрестности локальной кромки.

5.3. Анализ многократных переотражений электромагнитных волн на элементах конструкции объекта сложной формы.

5.4. Тестирование алгоритмов расчета полей рассеяния на острых кромках и вогнутых структурах.

Выводы к главе 5.

6. Объектно-ориентированный метод исследования дифракционных электромагнитных полей на объектах естественного и антропогенного характера.

6.1. Принципы формирования структур данных объектно-ориентированной модели

6.1.1. Структуры данных геометрической модели объекта сложной пространственной конфигурации.

6.1.2. Структуры данных радиолокационных систем.

6.1.3. Структуры данных электродинамической и статистической модели поверхности сложных объектов.

6.2. Классы - методы объектно-ориентированной модели.

6.2.1. Математическая модель рассеяния радиоволн плоским треугольным элементом.

6.2.2. Анализ взаимодействия электромагнитных волн с радиопоглощаюгцими покрытиями.

6.2.3. Модель взаимодействия волн с острыми кромками.

6.2.4. Компонента многократных взаимодействий волн с элементами полигональной модели радиолокационной сцены.

6.3. Элементы поляризационной матрицы рассеяния элемента полигональной модели со статистически неровными свойствами поверхности

6.3.1. Класс-метод касательной плоскости.

6.3.2. Класс-метод малых возмущений.

6.3.3. Класс-метод двухкомпонентной поверхности.

6.4. Анализ результатов цифрового моделирования характеристик рассеяния эталонных отражателей.

Выводы к главе 6.

7. Идентификация и классификация малозаметных объектов радиолокации по их рассеивающим свойствам.

7.1. Анализ характеристик рассеяния объектов сложной формы, полученных расчетным путем и с помощью экспериментальных исследований.

7.2. Классификация малозаметных объектов радиолокации по их рассеивающим свойствам на диаграмме Пирсона.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Рассеяние электромагнитных волн на объектах сложной электрофизической структуры и формы»

Актуальность темы. Радиофизика и радиолокация, как области естествознания, в современных условиях повсеместного распространения и использования информационных технологий представляют собой научную, методическую и технологическую основу, на которой модернизируются существующие и создаются принципиально новые системы радиосвязи, навигации, дистанционного зондирования и локации. Именно здесь изучаются вопросы распространения электромагнитных волн (ЭМВ) в пространстве и их рассеяние на объектах локации (ОЛ) сложной электрофизической структуры и пространственной конфигурации естественного и антропогенного характера.

В силу своей сложности и многогранности, решение этих проблем, исторически было ограничено исследованиями фундаментального характера, связанных либо с решением канонических задач дифракции на объектах простой формы, либо с разработкой упрощенных эвристических методов, не обеспечивающих необходимую точность результатов.

В настоящее время накоплен огромный научно-практический потенциал в области вычислительных методов и средств, позволяющий эффективно распространять результаты фундаментальных достижений радиофизики и радиолокации при решении прикладных задач. Однако формальные попытки непосредственного применения фундаментальных методов электродинамики к решению задач рассеяния ЭМВ на реальных объектах локации сложной электрофизической структуры и пространственной конфигурации с учетом влияния подстилающей поверхности не только не эффективны, но и практически неразрешимы даже на суперЭВМ. Поэтому, задачи исследования, направленные на разработку эффективных, универсальных и современных методов анализа полей рассеяния ОЛ самого широкого класса и ориентированных на широкое и рациональное использование современных расчетных методов и средств, представляют исключительную важность и актуальность.

Таким образом, необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований, направленных на решение этих актуальных проблем составляют цель данной работы, которая может быть сформулирована следующим образом.

Целью работы является решение важной проблемы разработки методов исследования рассеяния электромагнитных волн на объектах локации сложной электрофизической структуры и формы естественного и антропогенного характера, основанных на широком использовании и развитии наиболее эффективных современных асимптотических методов электродинамики, развитии и использовании современных вычислительных методов и средств, а также разработка методов, математических моделей, алгоритмов и процедур синтеза входных сигналов радиолокационных систем (РЛС) различного назначения, анализ и синтез радиолокационных характеристик (РЛХ) ОЛ, их классификация и идентификация по рассеивающим свойствам.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач, составляющих основные этапы исследования:

- разработка объектно-ориентированного метода исследования дифракционных полей рассеяния объектов сложной электрофизической структуры и формы естественного и антропогенного характера;

- создание математических моделей парциальных компонент входных воздействий радиолокационных систем, обусловленных полями рассеяния на гладкой поверхности, вогнутых структурах и острых кромках объекта при самых общих условиях локации;

- разработка методов сквозного математического моделирования входных сигналов РЛС различного назначения;

- разработка математических моделей геометрического образа объектов сложной пространственной конфигурации естественного и антропогенного характера;

- разработка методов исследования рассеивающих свойств земных покровов со сложным рельефом;

- рациональное построение и выбор параметров вычислительных процедур оценок полей рассеяния;

- анализ и синтез радиолокационных характеристик реальных объектов и их идентификация и классификация;

- разработка эффективных методов и алгоритмов численного интегрирования осциллирующих источников излучения на поверхностях большой кривизны с предписанной точностью при минимальном числе итераций.

Методологической основой развиваемых методов, математических моделей и алгоритмов служат:

- аппарат аналитической геометрии в пространстве;

- машинная графика, вычислительная геометрия, геометрическое моделирование;

- элементы математической теории вращений;

- методы математической и физической теории дифракции коротких волн;

- асимптотические методы оценок осциллирующих интегралов;

- теория численного интегрирования;

- элементы теории вероятностей, математической статистики и случайных процессов.

Научная новизна работы заключается в теоретическом анализе, обобщении методов расчетов; создании эффективных математических моделей и процедур анализа и синтеза радиолокационных полей рассеяния на объектах сложной электрофизической структуры и формы, а также в разработке прикладного программно - методического обеспечения как инструмента разработчиков различных радиолокационных систем и объектов локации.

Наиболее значимыми являются следующие результаты, имеющие научную новизну:

1. Впервые предложен, разработан и применен в научно-технических приложениях объектно-ориентированный метод исследования дифракцио-ных полей на совокупности объектов сложной пространственной конфигурации естественного и антропогенного характера.

2. Разработана математическая модель дифракционных полей рассеяния коротких радиоволн на объектах сложной формы в целом и ее отдельных (парциальных) компонент, отличительными моментами которой являются:

- единая интегральная форма представления компонент полей рассеяния (ПР);

- возможность оценки (контроля) вклада как любой компоненты поля, так и вклада любого отдельного элемента объекта локации в общее поле рассеяния;

- возможность когерентного и некогерентного суммирования сигналов от элементов модели в апертуре приемной антенны.

- возможность синтеза входных сигналов РЛС различного назначения при самых общих условиях возбуждения О Л как то: случай бистатической локации (полуактивные системы), локация протяженных (распределенных) целей, использование сложных зондирующих сигналов и.т.п.

- возможность синтеза многоточечной модели цели.

3. Разработаны универсальные аналитические модели геометрического образа объектов сложной формы естественного и антропогенного характера со сложными электрофизическими структурами.

4. Предложен метод развивающихся областей при анализе дифракционных полей на поверхности неплоских пространственных элементов геометрической модели ОЛ, который существенно снижает общие затраты машинного времени.

5. Разработан адаптивный алгоритм оценки двумерных интегралов с осциллирующим ядром, позволяющий с минимальными затратами машинного времени получить его оценку с предписанной точностью.

6. Получены практически важные характеристики рассеяния объектов локации сложной формы, анализ которых по разработанной методике позволяет решать задачи обнаружения, идентификации и классификации объектов локации по их рассеивающим свойствам.

Защищаемые положения и результаты. На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Объектно-ориентированный метод исследования дифракционных электромагнитных полей на совокупности объектов сложной электрофизической структуры и формы естественного и антропогенного характера.

2. Математические модели и алгоритмы компоненты полей рассеяния коротких радиоволн на гладкой части, двугранных вогнутых структурах и острых кромках объекта локации.

3. Обобщенная математическая модель рассеяния коротких радиоволн на подстилающих поверхностях со сложным рельефом.

4. Математические модели геометрического образа объекта локации естественного и антропогенного характера.

5. Метод расчета поля рассеяния на элементах геометрической модели цели, кривизна которых соизмерима с длиной волны зондирующего излучения, реализованный в виде адаптивного алгоритма оценки с предписанной точностью двумерных осциллирующих интегралов типа Фурье.

6. Радиолокационные характеристики объектов сложной формы, полученные с помощью разработанных методов, алгоритмов и программ.

Практическая ценность работы Заключается решении важной научно-технической проблемы анализа и синтеза радиолокационных полей рассеяния объектами сложной электрофизической структуры и формы в виде прикладных методов, алгоритмов и комплекса программ, позволяющих заменить дорогостоящие и сложные натурные исследования значительно более дешевыми, оперативными и удобными расчетами на ЭВМ, что представляет собой современный и мощный инструмент разработчика РЛС и объектов локации различного назначения.

Реализация полученных результатов. Методы, математические модели, алгоритмы и программы расчета характеристик рассеяния объектов сложной формы внедрены в практику обнаружения космических аппаратов наземными средствами радиолокационного обнаружения и сопровождения.

В Центральном радиотехническом институте (г. Москва) реализован метод математического моделирования входных сигналов бортовой автономной системы измерения параметров высокоскоростных объектов.

В Московском институте теплотехники внедрена и реализована методика оценки эффективности использования специальных радиомаскирующих укрытий.

В Летно-исследовательском институте им. Громова (г.Жуковский Московской области) внедрена методика расчета энергетических характеристик рассеяния летательных аппаратов при их моностатической локации.

Реализация результатов работы в промышленности подтверждается соответствующими актами внедрения и использования результатов.

Материалы работы широко используются автором в учебном процессе в МГТУ им. Н.Э.Баумана по курсам «Основы моделирования входных сигналов систем ближней локации» и «Помехоустойчивость систем ближней локации».

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 5 всесоюзных, 5 всероссийских, 4 международных научно-технических конференциях, совещаниях и семинарах в период с 1981 по 2000 год.

Публикации. Основные результаты, полученные в диссертации, опубликованы в 41- ой печатной работе.

Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 411 страниц текста, 152 рисунков и 19 таблиц. Список литературы включает 156 наименований.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Борзов, Андрей Борисович

Выводы к главе 7.

На основе приведенных рассуждений можно сделать следующие выводы:

1. Идентификация РЛХ сложных целей, полученных с помощью предлагаемой методики с результатами различных стандартизованных натурных измерений показал, что расхождения средних значений ЭПР не превышает 3.6 дБ для всех типов целей.

2. Предложенные методы статистического анализа реализаций ЭПР позволяют классифицировать рассеивающие свойства сложных целей бета-распределением первого рода.

7. Значения РЛХ, полученные расчетными методами дают заниженную оценку ЭПР по сравнению с результатами натурных измерений, что говорит необходимости как более детальной проработки геометрической модели цели, так и необходимости учета дополнительных составляющих дифракционных полей рассеяния, например как дифракция на границе "свет-тень", многократные переотражения и т.п.

4. Результаты, полученные в данном разделе позволяют сделать основной вывод: предлагаемая расчетная методика является хорошей альтернативой дорогостоящим натурным измерениям и особенно удобна и эффективна на ранних стадиях проектирования как радиолокационных систем различного назначения, так и при разработке и оценке эффективности целей сложной формы в условиях воздействия радиолокационных средств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Резюмируя изложенное, выделим основные результаты диссертационной работы.

1. Методы анализа явления взаимодействия электромагнитных волн предложенные в работе обеспечивают комплексный и эффективный подход к решению фундаментальных проблем создания, разработки и проектирования радиолокационных систем и объектов локации различного назначения.

2. Предложенные, обоснованные и реализованные в работе математические модели и алгоритмы цифрового моделирования радиолокационных полей рассеяния на объектах сложной пространственной конфигурации расположенные на фоне подстилающих поверхностей различного типа являются одним из наиболее эффективных современных средств оценки широкого класса как собственно РЛХ объектов локации, что позволяет заменить сложные и дорогостоящие натурные измерения более дешевыми и функционально более гибкими средствами математического моделирования на ЭВМ.

3. Разработан комплекс моделей, алгоритмов и программ, обеспечивающих расчет на ЭВМ радиолокационных характеристик полей рассеяния радиоволн квазиоптического диапазона на объектах сложной пространственной конфигурации во всем диапазоне условий облучения и наблюдения объекта.

4. Полученная единая интегральная форма представления компонент ПР позволяет унифицировать процедуры их алгоритмической оценки, что позволяет реализовать асимптотические методы анализа дифракционных компонент и контролировать погрешность вычислений.

5. Усовершенствованная и адаптированная к решению задач электродинамики аналитическая модель геометрического образа цели позволяет достаточно точно аппроксимировать поверхность оригинала.

Данная модель сложной цели, помимо базового набора элементов, содержит алгоритмы, позволяющих выполнять все необходимые топологические расчеты, в частности такие как: выделение незатененной и немаскируемой части поверхности цели; включение экранирующих элементов; проверки принадлежности точки острой кромке и построение локального базиса ребра; операции с элементами цели, образующих двугранные вогнутые структуры и другие. Все алгоритмы выполнены в виде библиотеки прикладных программ и адаптированы к ЭВМ различного типа.

6. Показано, что для расчета ПР от гладкой части цели целесообразно использовать метод касательной плоскости, который позволяет свести краевую задачу дифракции к задаче с заданным распределением источников поля на поверхности. Анализ свойств источников позволил повысить эффективность алгоритмов за счет разделения процедур по плоским элементам цели и поверхностям второго порядка. При этом, оценка ПР от плоских БПЭ выполняется в виде алгоритма численного интегрирования, который автоматически выбирает размер шага в зависимости от характера ограничивающего контура и дальности до цели. В случае поверхностей второго порядка, целесообразно использовать метод локальных областей (ОИР) Фока, которые являются окрестностями критических ("блестящих") точек двумерных интегралов от осциллирующих источников ПР. В этом случае, использование алгоритма формирования развивающейся сетки интегрирования оказывается наиболее эффективным по критерию точность оценки интеграла - затраты машинного времени.

7. Установлено, что погрешность расчета и затраты машинного времени возрастают при оценке ПР от поверхностей, радиус кривизны которых становится меньше длины волны зондирующего сигнала. Поэтому, в работе предложен универсальный (с точки зрения отношения радиуса кривизны к длине волны) адаптивный алгоритм оценки с предписанной точностью двумерных интегралов Фурье, который позволяет за минимальное число итераций достичь предписанной точности оценки.

8. Определена и реализована структура оценки дифракционной компоненты ПР на острых кромках цели (краевых волн) в виде осциллирующего интеграла излучения от квазилинейных (локальных) источников. Показано, что амплитуды локальных источников определяются в зависимости от условий локации и характера проводимости поверхности цели.

9. Разработана методика оценки двукратных переотражений элементов цели на основе многомерного итерационно-интегрального уравнения Фукса. Анализ показал, что при учете лишь двукратных переотражений, оценку компоненты ПР можно выполнить с помощью метода эквивалентных синфазных апертур, обобщенных на случай произвольной конфигурации и кривизны граней.

10. Проведено тщательное тестирование всех алгоритмов на примере эталонных отражателей для которых известны точные аналитические решения. Показано, что погрешность оценки ПР и затраты машинного времени образуют компромисс при выборе шага интегрирования.

11. Идентификация как диаграмм рассеяния так и других РЛХ сложных целей полученных с помощью данной методики и стандартизованных натурных измерений показал, что предлагаемая расчетная методика является хорошей альтернативой дорогостоящим натурным измерениям, поскольку позволяет оперативно моделировать на ЭВМ как различные РЛХ так и входные сигналы бортовых систем ближней радиолокации с погрешностью не хуже 4 дБ относительно полигонных измерений.

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Борзов, Андрей Борисович, 2000 год

1. В.К.Волосюк, В.Ф.Кравченко Математические методы моделирования физических процессов в задачах дистанционного зондирования 3емли//3арубежная радиоэлектроника.-2000.№8.-с.З-80.

2. Математическая модель рассеяния электромагнитных волн на объектах сложной формы Борзов А. Б. и др.// Электромагнитные волны & Электронные системы. -1998 г. -№ 10. -стр. 39-54.

3. Андреев Г.А. Отражение и рассеяние миллиметровых волн земными покровами// Зарубежная радиоэлектроника,-1980.№9.-с.3-32.

4. Дж. Займан. Электроны и фононы. Пер. с англ. под. ред. В.Л. Бонч-Бруевича. ИЛ, 1962.

5. А. Андронов, М. А. Леонтович, К теории молекулярного рассеивания света на поверхности жидкостей. Собр. трудов А. А. Андронова, стр. 5—18. Изд-во АН СССР, 1956.

6. Gans, Die moleculare Rauhigketteineneben en Quecksilberflache. Ann. Physik 74, № II, 231—251 (1924).

7. Gans, Lichtzerstrenung infolge der molecularen Rauhigkeit de Trennungflache zweier durchsichtiger Medien. Ann. Physik 79, № 3, 204—226 (1926).

8. Л. Фейнберг, Распространение радиоволн вдоль реальной поверхности. Сб. Исследования по распространению радиоволн, вып. 2, под ред. Б. А. Введенского, Изд-во АН СССР, 1948.

9. Л. Антокольский, Отражение волн от шероховатой абсолютно отражающей поверхности, ДАН СССР 62, № 2, 203—206 (1948).

10. М. Бреховских, Дифракция электромагнитных волн на неровной поверхности, ДАН СССР 81, № 6, 1023—1026 (1951).

11. Л. М. Бреховских, Дифракция волн на неровной поверхности, ЖЭТФ 23, № 3 (9), 275—288; 289—304 (1952).

12. М. А. Исакович, Рассеяние волн от статистически шероховатой поверхности. ЖЭТФ 23, № 3 (9), 305—314 (1952).

13. Ф. Г. Басс, Граничные условия для среднего электромагнитного поля на поверхности со случайными неровностями и с флуктуациями импеданса. Изв. вузов. Радиофизика 3, № 1, 72—78 (1960).

14. Ф. Г. Басс, И. М. Фукс, Об учете затенений при рассеянии волн на статистически неровной поверхности. Изв. вузов, Радиофизика 7, № 1, 101—112 (1964).15,1617,18,19,2021,22,23,24,25