Размещено на http: //www. allbest. ru/
1Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН
2Пензенский государственный университет
Методика оценки характеристик терагерцовых радиолокационных устройств обнаружения наземных объектов
Р.П. Быстров 1, И.Л. Масленникова 2,
А.В. Соколов 1, Г.К.Чистова 2
Аннотация
Получена 12 апреля 2010 г.
Обоснованы требования и методика к параметрам радиолокационных устройств (датчиков) обнаружения наземных объектов (человек, автомобиль) на длинах волн 1,3 мм; 0,98 мм и 0,88 мм. Такие радиолокаторы перспективны в охранных системах с оптикоэлектронными средствами. Исследуются характеристики радиолокационных систем в активном и пассивном режимах в условиях плохой оптической видимости.
Ключевые слова: радиолокация, охранные системы, пассивные и пассивно-активные радиолокационные датчики (РЛД-П и РЛД-ПА).
радиолокатор наземный оптический видимость
Основной задачей средств охранной сигнализации является своевременное обеспечение обнаружения и распознавания (классификации) всякого рода внешних воздействий на охраняемый объект (человека и техники). Целью нейтрализации охранной системы в процессе несанкционированного воздействия, как правило, является попытка снижения её рабочей эффективности, а также частичное или полное разрушение охраняемого объекта [1-4].
Если площадь охраняемого объекта имеет большие пространственные размеры (до нескольких сотен метров, а иногда и больше), то для предупреждения о нарушении системы охраны в настоящее время применяются сейсмические и акустические приборы (датчики). Указанные датчики обеспечивают выдачу информации (сигналов) факта появления объекта-нарушителя, что дает возможность последующего обнаружения и распознавания его на определенных дальностях с помощью оптико-электронных средств (ОЭС). Однако необходимо отметить, что высокая эффективность такой системы обеспечивается, когда имеет место хорошая оптическая видимость. Если оптическая видимость низкая, когда появляются сильные туманы (дальность видимости - 20-50 м), дымовые или пылевые помехи, то эффективность оптической системы в значительной степени снижается, а иногда работа её просто срывается [5,6].
Опыт разработки и совершенствования технических средств обслуживания работы охранных систем показывает, что выполнение такой объемной задачи в условиях плохой оптической видимости на расстояниях невозможно без применения радиолокационных систем - датчиков (РЛД). И, поскольку, дальности действия системы могут быть не более 150-200 м, то возможно применение в таких системах короткой части миллиметровых волн или даже в длинноволновой части субмиллиметровых волн [7,8].
Становится очевидным, что важной и актуальной научно-технической задачей является задача по разработке моделей и методик обоснования и оценки параметров, создаваемых радиолокационных активных и пассивных устройств на охраняемых территориях (административные и учебные здания, специальные площадки) в условиях плохой видимости за счет применения техники более информационного СВЧ диапазона волн. Датчики должны быть малогабаритными, иметь высокие разрешающие способности по дальности и угловым координатам, а также обеспечивать высокий уровень вероятности правильного обнаружения (распознавания) наземных объектов.
В данном случае предполагается для создания РЛД более информативного СВЧ диапазона (короткая часть миллиметровых и длинная часть субмиллиметровых) радиоволн. В современной технической литературе данный диапазон радиоволн стал именоваться терагерцовым (ТГц) [9-16].
Обоснование требований к основным параметрам радиолокационных устройств (датчиков) обнаружения наземных объектов (человек, автомобиль) на длинах волн 1,3 мм; 0,98 мм и 0,88 мм.
Для исследования возможностей использования радиоволн ТГц диапазона в РЛД обнаружения наземных объектов, прежде всего, был проведен анализ результатов исследований молекулярного поглощения в атмосфере и гидрометеорах исследуемых радиоволн, и сделаны следующие выводы.
1. Особенностями распространения радиоволн в атмосфере, в том числе и в гидрометеорах (дождь, туман, снег) является то, что в ТГц диапазоне имеется целый ряд участков спектра (1,3 мм; 0,98 мм и 0,88 мм). Ослабление для указанных длин волн составляет: 2 дБ/км, 7 дБ/км и 13 дБ/км соответственно, что позволяет использовать эти участки спектра в радиолокации малой дальности действия.
2. Ослабление в туманах в ТГц диапазоне волн при водности 0,1 г/м і, по сравнению с дождями, невелико и не превышает 2 дБ/км.
3. Ослабление распространения ТГц волн в снеге не поддается строгой теоретической оценке. Однако известно, что оно примерно вдвое меньше, чем в дождях с интенсивностью менее 5 мм/ч.
4. Удельные ЭПР (отражения от среды гидрометеоров) в указанных «окнах» радиоволн оказывается в 2-10 раз больше, чем в миллиметровом диапазоне радиоволн.
Особое внимание было уделено исследованию и оценке ослабления радиоволн в пыледымовых помехах (ПДП).
В работе [17] приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований распространения волн короткой части ММ (длина волны 1,3 мм) и длинноволновой части СБММ (длина волны 0,98 мм) в дымах и пылевых помехах в сравнении с оптическим диапазоном.
Анализ, полученных результатов исследований показал, что ослабление ТГц радиоволн в дымах военно-химических смесей с оптической дальностью видимости до S = 2 м не превосходит величины 0,1 дБ /км. Также в результате анализа многократных измерений установлено, что ослабление СБММ и ММ волн в дымах военно-химических смесей при указанных выше плотностях задымления трассы практически отсутствует.
Таким образом, проведенный анализ особенностей распространения радиоволн показывает, что в ТГц диапазоне (в районах волн 1,3 мм; 0,96 мм и 0,88 мм), где ослабление не достаточно велико и для малых дальностей действия радиотехнических систем (до 500 м) вполне пригодно. При этом средние значения затухания в течение времени года с вероятностью 0,8 в указанных “окнах прозрачности” не превышают значения соответственно: 3 дБ/км; 8,5 дБ/км и 10 дБ/км.
Был проведен анализ отражательных характеристик наземных объектов в ТГц диапазоне радиоволн. В качестве исследуемых объектов нами использовались автомобильная техника, люди. Получены следующие результаты.
1. Оказалось, что для подвижных объектов на длинах волн меньше 3 см ЭПР незначительно возрастает, и имеют тот же порядок, что и в сантиметровом диапазоне радиоволн. Так, с вероятностью 0,9 в короткой части диапазона ММ радиоволн (? ? 3,3 мм) среднее значение ЭПР бронированного объекта o ? 10 мІ, а на длине волны 8 мм - o ? 9 мІ;
2. Для таких подвижных объектов, как человек или группа людей дальности действия по ним в сравнении с автомобильной техникой снижается примерно в 3-4 раза;
3. В исследуемом диапазоне радиоволн появляется превосходная возможность обнаружения неподвижной техники с работающим двигателем (в значительной степени увеличивается, не менее чем 30 дБ, амплитудные пульсации отраженного сигнала);
4. При обнаружении неподвижных объектов на фоне подстилающей поверхности радиолокационные системы в исследуемом диапазоне радиоволн имеют преимущество перед системами СМ и ММ диапазонов волн за счет более высокого значения радиоконтраста.
Поскольку авторы предполагают, что в качестве радиолокационных датчиков (РЛД) охранных систем могут найти применение и пассивные системы (основанных на приеме собственного радиоизлучения), то проводился также анализ характеристик радиоизлучения наземных объектов.
Результаты исследований в диапазоне длин волн от 1мм до 3 мм, позволили сделать следующие выводы.
1. При малых углах визирования (до 4-5 °) радиоконтрасты наземных объектов на расстояниях до 1000 м на длинах волн 2 мм и 3 мм, при различном состоянии подстилающей поверхности, имеют значения от единиц до десятков градусов. При этом для вертикальной и на горизонтальной поляризаций у них одинаковый порядок.
2. Наблюдались различия в характере распределения уровней радиоконтрастов наземных объектов на различных длинах волн. Полученные распределения радиоконтраста объекта на длинах волн 2 мм и 3 мм показывают, что максимальные значения радиоконтрастов не превышает 80-90 К, при чем абсолютные значения радиоконтраста объекта на длине волны 3 мм в 1,5-2 раза превышают значения, полученные для длины волны 2 мм.
3. Металлические объекты при наблюдении их под отрицательными углами наблюдения ~ (-25 … 30?) характеризуются величиной радиоконтраста, примерно в 1,5 раза большей, чем при наблюдении этих же объектов при малых углах наблюдения ~ (0 … 1,5?).
4. При движении объекта со скоростью 15 км/ч сигнал уменьшался примерно на 25%, а при скорости 25 км/ч уменьшался в 2 раза по сравнению с сигналом от неподвижного объекта.
5. Применение маскировочных средств и многослойных дымовых завес несколько ослабляет величину радиоконтраста объекта.
6. Выявлено достоинство пассивного радиовидения в диапазоне волн 1 и 2 мм в сравнении с длинноволновой частью ММ волн, заключающееся в достаточно легком узнавании наблюдаемых объектов, в том числе и при использовании активной локации, где объект выглядит, как хаотическая система блестящих точек [17-20] .
Таким образом, в [17,18] на основе анализа возможных вариантов технического оснащения современных охранных систем (сейсмические, акустические, магнитные, оптико-электронные, телевизионные средства), исследований особенностей распространения радиоволн ТГц диапазона, отражательных и излучательных характеристик малоразмерных наземных объектов, а также изучения состояния и перспектив развития элементной базы этого диапазона были обоснованы (сформулированы) следующие основные требования к радиолокационным датчикам (РЛД) обнаружения наземных объектов на охраняемых территориях:
для обеспечения более эффективной работы охранных систем, и в частности, при обнаружении и распознавании объектов-нарушителей на небольших дальностях действия (до 500 м) и в условиях плохой оптической видимости РЛД должны иметь высокое разрешение по дальности и угловым координатам;
используемые диапазоны длин волн РЛД в зависимости от дальности наблюдений могут быть: для дальностей несколько сотен метров - в короткой части миллиметрового (длины волн 1,3; 2 и 3 мм) и для маленьких дальностей, не более 100 м - в длинноволновой части субмиллиметрового (длины волн 0,88 мм и 0,96 мм);
для обеспечения дальности действия от 50 до 500 м по малоразмерным объектам (в зависимости от статуса охранной системы) требуется разрешающая способность по дальности в пределах 0,5 … 1 м (длительность импульса должна быть не более - 50 нс);
обеспечение обнаружения объектов (человек, автомат-робот, легковой и грузовой автомобиль) как малоподвижных (в том числе и неподвижных), так и движущихся в различных направлениях;
сектор обзора площадного участка со стороны охраняемого параметра на дальности до 500 … 1000 м по азимуту должен быть в пределах 60° (±30°) и по углу места - от +5° до - 30°;
обнаруживать наземные объекты на фоне земной поверхности с высокой вероятностью (не ниже 0,9) при вероятности ложной тревоги ~ 10 -5 при любых погодных условиях, включая дожди интенсивностью до 16 мм/ч;
иметь небольшие массу и габариты.
Оценка основных характеристик датчиков в активном и пассивном режимах работы в условиях плохой оптической видимости.
Для оценки основных характеристик и эффективности функционирования РЛД в активном и пассивном режимах и условиях плохой оптической видимости был разработан ряд математических моделей и методик (с соответствующим программно-алгоритмическим обеспечением) [17,18].
Анализ результатов последних работ по радиолокационной технике, позволяет заключить, что в качестве типовых РЛД могут быть системы, работающие как в активном, так и пассивном режиме. В отельных случаях могут применяться и комплексированные системы - пассивно-активные, когда обнаружение объекта производится в пассивном режиме, а для определения дальности и скорости движения объектов может применяться на короткое время активный режим. Такие комплексированные системы в последнее время находят применение для обнаружения неподвижных (замаскированных и укрытых) объектов [18,20].
Активные РЛД
В качестве активного РЛД была рассмотрена радиолокационная система обнаружения наземных объектов - РЛД-А с дальностью действия 500-700 м.
Для оценки энергетических возможностей активных РЛД-А обнаружения наземных объектов была применена классическая формула определения дальности действия любой радиолокационной системы, Do, которая через значение мощности передатчика, Рпер, была преобразована в следующем виде:
(1)
где Рпр.min - чувствительность приемника; Аэф - эффективная площадь антенны; L - коэффициент потерь в волноводном тракте и за счет неоптимальности обработки сигнала; oо - ЭПР объекта; га - коэффициент ослабления радиоволн в атмосфере.
Проведенные расчеты показали, что на длине волны 1,3 мм можно реализовать дальность действия движущихся наземных объектов в благоприятных условиях до 3,5 км и в неблагоприятных условиях (дождь средней интенсивности) до 2-2,5 км как в дневных, так и в ночных условиях. На длине волны 0, 88 мм эти дальности снижаются в 5-8 раз.