Автореферат (Синтезирование апертуры антенны при совместном прямолинейном и вращательном перемещении фазового центра реальной антенны)

На правах рукописиУДК 621.396.967МАЙСТРЕНКО ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧСинтезирование апертуры антенны при совместном прямолинейном ивращательном перемещении фазового центра реальной антенныСпециальность 05.12.14 - «Радиолокация и радионавигация»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква, 2013Работа выполнена на кафедре 401 «Радиолокационные и радионавигационные системы»Московского авиационного института (национального исследовательского университета).Научный руководитель:доктор технических наук, профессорТатарский Борис ГригорьевичОфициальные оппоненты:Сарычев Валентин Александрович,доктор технических наук, профессор;ОАОНПП«Радарммс»,заместительгенеральногоконструктора.Юрчик Игорь Алексеевич,кандидат технических наук; ОАО «Концерн «ВЕГА»,начальник лаборатории, старший научный сотрудник.Ведущая организация:ОАО «Корпорация «Фазотрон – НИИР».Защита диссертации состоится «___» __________ 2013 г.

в ______ на заседаниидиссертационного совета Д 212.125.03 при Московском авиационном институте (национальномисследовательском университете) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП, Волоколамскоешоссе д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационногоинститута (национального исследовательского университета).Дата рассылки автореферата: «___» ________ 2013 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.125.03д.т.н., доц.Сычев М.И.2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫРабота посвящена исследованию вопросов синтезирования апертуры антенны приперемещении фазового центра реальной антенны одновременно по вращательной ипоступательнойтраекториямприменительнокрешениюзадачдистанционногорадиолокационного мониторинга земной поверхности.

Рассматриваются алгоритмы обработкитраекторного сигнала, формируемого в процессе синтезирования, и проводится оценка ихэффективности.Актуальность темыНеотъемлемой характеристикой качества жизни и уровня благосостояния населенияявляется состояние окружающей среды, подверженное губительному влиянию со стороныпромышленного техногенеза территории. Поэтому вопросы минимизации техногенноговоздействия на окружающую среду имеют высокую значимость.Для контроля состояния окружающей среды, как правило, используют различного типасистемы мониторинга. При построении систем мониторинга обычно используют комплексныеметоды и средства дистанционного зондирования в сочетании с пространственно распределенными системами сбора, обработки и обмена полученными данными.

Системыданного рода должны обеспечивать, во-первых, получение в любое время года и суток и прилюбых метеоусловиях информации об окружающей среде, ее комплексную обработку,селекцию и распределение между возможными потребителями; во-вторых, - представлениепользователям результатов мониторинга объектов и окружающей среды в целях обеспеченияинформационной и интеллектуальной поддержки баз данных (БД) пользователей; в-третьих, формированиеинакоплениесценариевтиповыхпроцессов,отражающихсостояниеокружающей среды, их возникновения и развития.Комплексная система мониторинга, как правило, базируется на многоуровневойинформации, получаемой с помощью наземных, космических и авиационных средств.При реализации программ мониторинга земной поверхности и разведки природныхресурсовнаиболеечастоиспользуютсяаэроносители,оснащенныеоптическими,инфракрасными, радиометрическими, магнитометрическими и др.

средствами, существеннымнедостатком которых является зависимость получения требуемой информации от погодныхусловий, времени года и суток. В то же время, возможность получения информации независимоот времени и в сложных метеоусловиях могут обеспечить только радиолокационные средства.Причем, для получения детальной информации о состоянии земной поверхности необходимо3использование радиолокационных систем (РЛС) с высоким разрешением. Разрешающаяспособность современных радиолокаторов с синтезированной апертурой антенны (РСА) близкак разрешающей способности оптических средств, используемых в системах аэрокосмическогомониторингаземнойповерхности,чтодополнительноподтверждаетактуальностьиспользования данных систем для целей мониторинга.

Как правило, оперативный мониторингокружающей среды обеспечивается с помощью систем, устанавливаемых на авиационныхносителях.Следует отметить возрастающую роль авиационных средств мониторинга, прежде всего,вертолетных многофункциональных систем в глобальной системе мониторинга Земли. ВРоссии, имеющей обширные труднодоступные и слабо освоенные территории; такиевертолетные системы, построенные на базе РЛС высокого разрешения и обладающие всемиотмеченными ранее преимуществами, могут использоваться в районах, где отсутствуютоборудованные площадки, специальные взлетно-посадочные полосы, решая, наряду с задачамимониторинга, задачи доставки людей и грузов.

Вертолетные системы мониторинга Землидолжны ориентироваться на широкий круг потребителей, работающих в различных областях,обеспечивая решение широкого круга задач в интересах экологии, землепользования,наблюденияразличныхприродныхитехногенныхобъектов,проведенияпоисково-спасательных работ, предотвращения и устранения последствий природных и техногенныхкатастроф, а также для обеспечения безопасности полета.Высокое разрешение в радиолокационных системах мониторинга, как известно,достигается по дальности за счет использования сложных видов зондирующих сигналов, а поазимуту – за счет использования принципов синтезирования апертуры антенны.

В этой связи,исследования, проводимые в работе и касающиеся вопросов обработки траекторного сигнала,формируемого в процессе синтезирования апертуры при учете поступательного движенияносителя и вращательного движения лопастной структуры с расположенным на ней ФЦреальной антенны, являются актуальными.Цель и задачи работыК сегодняшнему дню достаточно подробно рассмотрены вопросы использованиясложных зондирующих сигналов в целях повышения разрешающей способностиРЛС.Повышение разрешающей способности РЛС по азимуту за счет принципов синтезированиядостаточно подробно изложеново многих научных источниках.

В то же время, в нихрассматриваются принципы синтезирования, основанные на учете поступательного движенияфазового центра (ФЦ) антенны (ФЦА). Однако, при построении вертолетных РЛ систем4мониторинга возможно использование естественного вращения лопастной структуры носителядля решения задач синтезирования апертуры, что отмечается в научной литературе последнеговремени. Тем не менее, не исследованы особенности синтезирования при комбинированном –вращательно-поступательном движении ФЦА.В этой связи, целью диссертационной работы являетсяобработкирадиолокационныхсигналовдлябортовойразработка алгоритмоврадиолокационнойсистемы,функционирующей в режиме синтезирования апертуры антенны при учете совместногопрямолинейного и вращательного перемещения ФЦА.Согласно заявленной цели работыопределены основные задачи исследований:―синтез оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов обработки траекторныхсигналов, формируемых в режиме синтезирования апертуры антенны при комбинированномперемещении ФЦА;―оценка эффективности синтезированных алгоритмов обработки траекторногосигнала;―анализ влияния характерных участков комбинированной траектории перемещенияна качество формируемого радиолокационного изображения (РЛИ) объекта наблюдения;―разработка математической модели системы обработки радиолокационныхсигналов бортовой РЛС в режиме синтезирования апертуры (СА) при учете комбинированногоперемещения ФЦА.Новизна работы определяется следующим:―проведен анализ существующих методов и алгоритмов обработки сигналов вбортовой РЛС, обеспечивающих повышение ее разрешающей способности при решенииразличного рода задач радиолокации; в том числе, в процессе дистанционного обзора имониторинга земной поверхности;―разработан алгоритм обработки траекторного сигнала в процессе прямогосинтеза апертуры антенны при учете совместного прямолинейно-вращательного перемещенияФЦА;―проведенаоценкаэффективностиразработанныхалгоритмовобработкитраекторного сигнала при варьировании параметров вращательной структуры и системыобработки;―врежимеразработана имитационная модель системы обработки траекторного сигнала РЛСсинтезированияапертурыприучете5совместногоперемещенияФЦА,обеспечивающая формирование радиолокационного изображения подстилающей поверхностипри различных режимах обзора и вариантах движения носителя БРЛС, а также оцениваниекачественных параметров получаемого изображения.Положения, выносимые на защитуОсновными результатами научных исследований и анализа, выносимыми на защитуявляются следующие:1.Движение фазового центра антенны по сложной траектории, включающейодновременно прямолинейное и вращательное его перемещение, приводит к сложному законучастотной модуляции траекторного сигнала, формируемого в процессе прямого синтезаапертуры антенны, которая содержит линейную и нелинейную составляющие изменениямгновенного значения его частоты.2.Показано, что траекторный сигнал с комбинированной частотной модуляциейпозволяет получить более высокое разрешение по азимуту при фиксированном временисинтезирования по сравнению с траекторным сигналом, у которого частота меняется полинейному закону вследствие прямолинейного перемещения фазового центра реальнойантенны.3.Вклад вращательной компоненты в приращение синтезированной апертуры прикомбинированной траектории перемещения фазового центра антенны наиболее существененпри небольших временах когерентного накопления траекторного сигнала, измеряемых впериодах вращения лопастной структуры.4.Фрагменты траектории, вносящие вклад в приращение синтезируемой апертуры,образуют эффективную синтезированную апертуру, определяющую основные показателиразрешающей способности РСА по азимутальной координате.5.Прямой синтез апертуры при комбинированной траектории перемещенияфазового центра антенны позволяет получить радиолокационное изображение объектанаблюдения требуемой детальности в любом угловом направлении зондирования, за время,меньшее, чем требуется при формировании искусственной апертуры за счет толькопрямолинейного перемещения фазового центра реальной антенны.Достоверность представленных в работе результатов обусловлена корректнымиспользованием математического аппарата синтеза радиолокационных систем, статистическихметодовоценкиэффективностипредлагаемыхалгоритмовобработки,современныхинструментальных средств научных исследований и математического моделирования, а также6совпадением теоретических выводов и результатов оценки эффективности предложенныхрешений.Практическая значимость работыРазработанные в работе алгоритмы обработки траекторного сигнала при синтезеапертуры в условиях комбинированного движения ФЦА могут быть использованы припрактической реализации систем радиолокационного мониторинга, располагаемыхнаносителях вертолетного типа, а разработанная имитационная модель на базе средыматематического моделирования MATLAB позволяет проводить отладку алгоритмов обработкитраекторного сигнала на ранних этапах проектирования таких систем.Реализация результатов исследованийРезультаты работы использованы при проведении совместных научных исследований спредприятиями промышленности, а также в учебном процессе на факультете радиоэлектроникилетательных аппаратов МАИ, что подтверждается актами внедрения.Апробация работыОсновные результаты проведенной работы представлены в 8 печатных трудах, в томчисле в 3-х статьях научных журналов, рекомендованных Высшей аттестационной комиссиейРФдля опубликования результатов соискателям кандидатских и докторских степеней, идокладывались автором на 5-ти конференциях, в том числе 1 всероссийской.Структура работыСтруктурно диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения,библиографического списка из _41_ наименования и одного приложения на _7_ листах.Диссертация изложена на _184_ листах, содержит_74_ рисунка и _11_таблиц.КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении диссертационной работы приведен краткий обзор научной литературы поданной тематике, обоснована актуальность темы исследований, сформированы цели и задачиисследований, приведены основные положения, выносимые на защиту, а также краткопредставлена структура работы.В первом разделепроведен анализ систем мониторинга земной поверхности иприродной среды.