автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему: Разностно-дальномерный информационно-измерительный комплекс для измерения параметров высокоскоростных малоразмерных тел
Автореферат диссертации по теме "Разностно-дальномерный информационно-измерительный комплекс для измерения параметров высокоскоростных малоразмерных тел"
На правах рукописи^,-
Дудка Дмитрий Вячеславович
РАЗНОСТНО - ДАЛЬНОМЕРНЫЙ ИНФОРМАЦИОННО - ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ТЕЛ
Специальность 05 11.16 - Информационно-измерительные и управляющие системы (в промышленности)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»
Научный руководитель- лауреат Государственной премии СССР,
доктор технических наук, профессор Толкалин Лев Николаевич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Кошелев Виталий Иванович,
кандидат технических наук Хомяков Александр Викторович
Ведущее предприятие ОАО «НПО «Стрела», г. Тула
Защита состоится «27» июня 2008 г в 1б°° на заседании диссертационного Совета Д 212 271 07 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300600, Тула, проспект Ленина, 92), корпус 9, ауд 101.
С диссертацией можно познакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300600, Тула, проспект Ленина, 92)
Автореферат разослан « 2.<о» 2008 г.
диссертационного Совета . 4-' Ф А Данилкин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. При разработке нового и модернизации существующего стрелкового оружия и боеприпасов возникает необходимость в проведении комплекса траекторных измерений, на основании которых производится оценка характеристик разрабатываемых устройств и систем. Для этого используются различные методы - фоторегистрация, индуктивные, емкостные, оптические и др Для всех этих методов необходима специально подготовленная трасса, вдоль которой производится пролет контролируемого тела и измерение его параметров В тоже время, достаточно часто необходимы измерения в реальной (нестандартной) обстановке, когда отсутствует подготовленная трасса Решить данную задачу принципиально возможно при использовании радиолокационного метода, поскольку радиолокационный измерительный комплекс производит измерения в собственной системе координат и не требует привязки к датчикам, расположенным определенным образом в пространстве
В настоящее время существуют радиолокационные информационно-измерительные комплексы для обнаружения, сопровождения и измерения координат таких баллистических целей, как крупнокалиберные артиллерийские снаряды или мины Они предназначения для контрбатарейной борьбы и могут сопровождать и измерять координаты более 10 целей одновременно, рассчитывать точки вылета методом экстраполяции Это мощные, дорогие и громоздкие А>1|ТР<3-36/37 в США, «Кобра» в Европе, «Рысь» и «Зоопарк» в России Отражающая способность подобных баллистических целей, хотя и невелика, но составляет 30-60 квадратных сантиметров Период поиска и сопровождения может занимать несколько секунд Отражающая же способность (ЭПР) пули стрелкового оружия менее 1 см2 Такой вид целей является не только малоразмерным, но и высокоскоростным, так как время пролета может составлять доли секунды. Сигнал, отраженный от пули настолько мал, что обнаружить его, при разумных значениях мощностей передатчика, на фоне электрических шумов приемника и помех от местности, технически очень сложно
Существующее положение делает актуальной задачу разработки измерительных комплексов, способных проводить измерения параметров траекторий малоразмерных высокоскоростных тел, движущихся по настильным траекториям
Решение данной задачи позволит достигнуть прогресс и в другом актуальном направлении, связанном с антитеррористической борьбой В условиях общемировой террористической опасности особую угрозу представляют собой стрелки Их появление в районах городской застройки или вблизи подразделений сухопутных войск при проведении войсковых операций всегда непредсказуемо и неожиданно По опыту локальных войн деятельность стрелков чаще всего остается безнаказанной, а потери личного состава от их
огня существенны При этом обнаружить позицию стрелка известными способами бывает невозможно
В настоящее время наиболее исследованы направления лазерно-оптического поиска и регистрации бликов от оптических прицелов стрелков пассивными и активными техническими методами Однако эти методы применимы только при открытой позиции стрелка. Наиболее перспективное направление связано с обнаружением летящей пули, регистрации полетной траектории и определении точки вылета
Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию возможностей и путей создания радиолокационного информационно-измерительного комплекса для измерения параметров траектории высокоскоростных малоразмерных тел, а так же экстраполяции траектории в точку вылета
Объект исследования: информационно-измерительный комплекс для измерения параметров высокоскоростных малоразмерных тел
Предмет исследования: информационно - измерительные характеристики комплекса погрешности разностно-дальномерного метода измерения параметров полета высокоскоростных малоразмерных тел в зависимости от сигнально - энергетических характеристик систем и устройств получения, обработки и отображения информации об объекте
Цель диссертационной работы: разработка научно-технических основ создания промышленных образцов информационно-измерительных комплексов для получения информации о высокоскоростных малоразмерных телах, измерения их параметров, координат точек вылета, позволяющих расширить функции комплексов
Задачи диссертационной работы:
1. Поиск методов получения пространственной информации о высокоскоростных малоразмерных динамических телах, движущихся на фоне местности, за ограниченный временной интервал.
2 Моделирование стохастических ошибок измерения и установление функциональных зависимостей погрешностей с геометрической базой комплекса, подлетными параметрами и сигнально-энергетическими показателями сигналов и каналов обработки информации
3 Выявление степени влияния пассивных помех от местности и расчет требований к когерентности сигналов промышленных образцов СВЧ генераторов
4 Выработка предложений по сигналам, методам обработки информации и устройствам для практической реализации в промышленных образцах информационно-измерительного комплекса
5 Анализ погрешностей баллистической экстраполяции и их вклада в решение задачи расчета координат точки вылета тела по измеренным параметрам траектории
Основные положения, выносимые на защиту:
1 Метод получения пространственной информации о высокоскоростных малоразмерных динамических телах, движущихся на фоне местности, за ограниченный временной интервал
2 Математические модели формирования случайных ошибок измерения координат высокоскоростных тел и их функциональные связи с геометрической базой комплекса, параметрами подлета и сигнально-энергетическими показателями каналов генерирования и обработки сигналов
3. Комплект математических формул и графических материалов, позволяющих разработчикам аппаратуры рассчитывать и выбирать рациональные значения параметров устройств для промышленной реализации, достижимые на современном уровне развития техники и технологии
4 Результаты анализа погрешностей баллистической экстраполяции, и их вклада в решение задачи расчета координат точки вылета высокоскоростного малоразмерного тела
5. Облик информационно-измерительного комплекса для промышленной реализации
Методы исследований: теория вероятностей, корреляционная теория случайных сигналов, теория дифференциальных уравнений, методы внешней баллистики, численные методы, методы имитационного моделирования.
Достоверность исследовании обеспечивалась использованием адекватного математического аппарата, а так же натурным, имитационным и математическим моделированием
Научная новизна состоит в получении новых научных знаний и разработке научно-технических основ создания промышленных образцов информационно-измерительных комплексов для получения информации о высокоскоростных малоразмерных физических телах, измерения их параметров, координат и точек вылета
1. Предложен метод получения полной пространственной информации о высокоскоростных телах за счет их обнаружения в ближней зоне, многоканального сопровождения по дальностям с последующей экстраполяцией в точки вылета
2 Разработана модель формирования случайных угловых ошибок за счет дальномерных погрешностей
3 Разработаны математические модели и функциональные зависимости, связывающие случайные ошибки измерения координат с геометрической базой комплекса, углами подлета и сигнально-энергетическими показателями каналов генерирования и обработки сигналов
4 Оценен вклад баллистических ошибок экстраполяции координат точки вылета тела по измеренным отсчетам координат малоразмерной скоростной цели.
Практическая ценность результатов работы определяется следующими факторами
1 Разработки комплект математических формул и графических материалов, позволяющих разработчикам промышленной аппаратуры рассчитывать и выбирать технические решения и рациональные значения параметров устройств комплекса, достижимые на современном уровне развития техники и технологии.
2 Предложен метод расчета требований к когерентностям СВЧ генераторов приемопередатчика комплекса, что позволяет разработчикам промышленной аппаратуры создавать приемопередатчики, обеспечивающие работу по высокоскоростным малоразмерным телам, летящим на фоне мощных помех от местности
3. Предложен облик однопозиционного варианта информационно-измерительного комплекса, оценены его энергетические и точностные характеристики
Внедрение результатов работы. Результаты работы были использованы в НИР «Разработка метода анализа спектров радиолокационных сигналов в низкочастотной области» (выполнялась ТулГУ по договору с ОАО ЦКБА, г Тула в 2007 г.), в НИР «Таганрог ТулГУ Разработка предложений по облику технических средств поиска объектов» (выполнялась ТулГУ по договору с ОАО НПО «Стрела», г. Тула в 2007-2008 гг), в НИР «Разработка научно-технических основ построения комплексных систем поиска и измерения характеристик малоразмерных баллистических объектов для целей антитеррористической борьбы» (выполнялась ТулГУ по региональному гранту в 2008 г), в учебный процесс кафедры радиоэлектроники ТулГУ по дисциплине «Радиотехнические системы»
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всероссийской конференции с международным участием «Проблемы наземной радиолокации» (2007 г), Научных сессиях Тульского областного правления РНТО радиотехники, электроники и связи им А С Попова (2006-2008 гг)
Публикации. Основное содержание работы отражено в 23 публикациях, включающих 16 статей, 7 тезисов докладов на Всероссийских и региональных НТК
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 203 страницах основного текста и содержащих 97 рисунков, 8 таблиц, списка литературы из 95 наименований
Во введении обосновывается актуальность темы создания радиолокационного информационно-измерительного комплекса для измерения параметров траекторий малоразмерных высокоскоростных тел и задачи, решаемой в диссертационной работе Оценены проблемы создания информационно-измерительного комплекса Определены объект, предмет, методы и задачи
исследований Дана общая характеристика работы, обоснованы основные положения, выносимые на защиту
В первом разделе в результате исследования принципов построения и уровня технической реализации систем для измерения параметров траекторий малоразмерных высокоскоростных тел и применяемых в них методов извлечения первичнои информации устанавливаются причины, порождающие проблему, и сформулированы задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели исследования
Обнаружение выстрелов из стрелкового оружия и измерение параметров траектории может производиться различными методами При этом происходит акустический хлопок (звук выстрела), формируется ударная волна, представляющая собой распространяющееся в пространстве со скоростью звука уплотнение воздушной среды, имеет место хемолюминесцентная дульная вспышка, вызванная локальным изменением температуры, давления, плотности и химического состава воздуха в районе выстрела в результате сгорания пороха, пролет пули в пространстве По совокупности признаков изменений в окружающей обстановке, доступных для измерения, должны быть проведены измерения параметров траекторий малоразмерных высокоскоростных тел и измерение координат стрелка Для обнаружения признаков присутствия стрелка могут быть использованы следующие методы- акустический; лазерно-оптический, телевизионный; тепловизионный, лазерные локационные методы, радиолокационный метод В Российской Федерации и в ведущих зарубежных странах (США, Израиль, Франция, Германия) наибольшее внимание уделяется исследованию акустических и лазерно-оптических методов поиска и измерения координат стрелков
Проведенный анализ методов обнаружения стрелков показал, что все перечисленные методы имеют большое число ограничений и способны обнаружить его только при наличии прямой видимости, когда выстрел производится с открытой позиции (кроме радиолокационного и лазерно-локационного) В тоже время, использование радиолокационного метода для решения данной задачи, практически не исследовано
На основе вышеизложенного сформулированы цель и задачи исследования
Второй раздел посвящен поиску методов получения пространственной информации о всех высокоскоростных телах, летящих в ограниченной (до 100 - 120 м) зоне действия комплекса Показано, что сверхмалые отражающие способности тел исследуемого класса (ЭПР менее 1 см2), высокие скорости (до 1000 м/с) и минимальные временные интервалы для обнаружения и сопровождения (от 0 1 с) не позволяют выполнять традиционные процедуры обзора пространства и сопровождения узкими лучами лазеров или радаров
Предложен вариант «безобзорной» системы с широкими не сканирующими пространственными лучами, многоканальным сопровождением всех
тел в зоне действия по дадчностям, пересчетом в полярные координаты с последующей экстраполяцией траекторий в точки вылета
Проведено моделирование процесса образования угломерных погрешностей за счет случайных ошибок измерения дальностей В диссертации (раздел 3) показано, что основная причина образования дальномерных ошибок - электрический тепловой шум Распределение дальномерных ошибок гауссово с дисперсией аг2. При линейном преобразовании случайных величин характер распределений не меняется Поэтому дальномерные ошибки можно пересчитать в угломерные воспользовавшись значением аг2 В стандартном доверительном интервале величину ау можно классифицировать и как сред-неквадратическую ошибку (СКО) Пересчет дальномерных погрешностей в угломерные показан на примере разностно-дальномерной радиолокационной системы Она имеет (рис. 1) две пары измерителей дальностей до летящих тел (измеряемых целей) в горизонтальной а и вертикальной р плоскостях с последующим пересчетом результатов измерения в пространственные полярные координаты
Ь_ РЛС1 цш антенна приемника
Рис 1. Метод получения пространственной информации о высокоскоростных телах и измерения полярных координат
Рассмотрим одну пару дальномеров (РЛС 1,2) в горизонтальной плоскости, измеряющих дальности Я/ и Расстояние между ними (база) Ь Для расчета угла подлета малоразмерного тела в относительно базы воспользуемся выделенным треугольником Я2 Ь и теоремой косинусов При этом разность дальностей Я/ - Я2 измеряется в долях базы Ь как подлетный параметр Х
(Кг Щ/Ъ Тогда для азимутальной плоскости и прямом подлете тела к базе (Х=0) подлетный угол о.(%,аг) с учетом дальномерной ошибки ог может быть рассчитан так
(Ьх + У2<тг) + ФХ + л12(тг)2 + Ь2 4 I 2Ь[Л1+(Ьх + 42аг)) Антенны с широкими диаграммами направленности имеют небольшой коэффициент усиления, что сказывается на мощности принимаемого сигнала, Установлено и показано что значение отношения сигнал/шум по мощности
рсш, так же, как и длительность зондирующего импульса передатчика т„ (или элемента кода сложного сигнала) влияют на эффективное значение дально-мерной ошибки аг Заменяя в (1) <т, на функциональную зависимость от т„ и Ре, получаем математические выражения для пересчета измеряемых дальностей в углы для азимутальной и угломестной плоскостях а и /? с параметрами
Ьа и Ьр, ги, рсш, х, формирующими погрешности.
АлгАО = — агсСо. ж
Щ (ЬрХ+0.15-Л_)+%х+о. 15--Д-)2 + V
Получены зависимости угловых случайных ошибок от дальномерных. Для этого вначале допускается, что одна из РЛС работает с самым коротким импульсом (ти=0) и не дает дальномерных погрешностей. Затем считается, что обе РЛС однотипны и дают равные погрешности, которые складываются по дисперсиям как для независимых случайных погрешностей. Так получаются соотношения (4,5)
2-сГд,, (х,т„)+2-а^ О.О; а-га>0(Яс,рсш,тя) = л/2еГа 0(рсш,ти)Яс. V)
Угловые ошибки метода
«сходные: 2 Рсш=9, т=26 не
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21
Бит мсвду РЛС [м]
Рис.3. Угловые ошибки в зависимости от отношений сигнал/шум рС! длительности импульса ти и величины базы Ь_
Расчеты показали, что слабый отраженный сигнал позволяет напрямую обнаружить высокоскоростное тело и рассчитать точку вылета (объект) только в ближней зоне от 100 до 150 м. В дальней рабочей зоне (до 1000м) обнаружить объект можно только путем экстраполяции в точку вылета. Но может оказаться, что при боковом частичном пролете зоны действия комплекса, можно будет обнаружить высокоскоростную цель и измерить координаты только один раз, то есть сделать выборочное измерение, а по нему дать экстраполяцию в точку вылета В результате появляются большие случайные погрешности аг даже при наносекундных зондирующих импульсах В разделе дан метод и рассчитаны погрешности, которые могут составлять до 50-80 м на дальности 1000 м
В результате анализа предложен метод снижения ошибок за счет многоточечного измерения текущих координат на траектории подлета цели при дискретном и непрерывном сопровождении по дальности там, где обеспечивается заданное отношение сигнал/шум рсш, с дальнейшей вторичной (траекторией) обработкой набранного статистического массива координат с весовой обработкой по функции прогрессии v(R,) Тогда ошибка существенно снижается Найденные зависимости отражены в (6-9) Они отражают вариант непрерывного сопровождения высокоскоростного тела от максимальной дальности захвата и сопровождения цели Ri до минимально возможной RM„„, зависящей от пролетной траектории прямой пролет к базе комплекса или частичный
Рш (*>). R„ >r„] = V2<TV[RC, рсы (Я,), г„ ]ЯС, (8)
j(°Vc (К > Рсш )> К,»Tu)fdR4
где Rh Я. Rmш, Rc - максимальная дальность действия измерительной РЛС, текущая дальность сопровождения тела, минимальная дальность сопровождения (мертвая зона), дальность до объекта (точки вылета); рСш(К1) — отно-
шение сигнал/шум на дальности Р $ огс(Яч) - текщие и итоговые агс(Яс) среднеквадратические значения случайной ошибки координаты тела и объекта в точке вылета соответственно.
На представленном семействе кривых (рис.5; ррз = рсш) наблюдается существенное снижение ошибок за счет вторичной обработки информации. Для разработчиков промышленных образцов рис. 5 представляет значительный интерес.
Ошибга непрерывного сопровождения
к <тге(й.шн,25,26) 35
I агс(Ящш,9, 13) 30
§ агс(1Ъ.тин ,25,8) 15
исходные РрзеЭ. г=2днс
Чдсть траектории 100и-Кмш
Рис.4. Ошибки сопровождения при полном и частичном сглаживании В третьем разделе исследуются пути создания устройств поиска и селекции высокоскоростных малоразмерных тел (целей). Поскольку они летят на фоне местности, без подавления этих помех выделение малоразмерной цели невозможно.
' варками /¡ДА 1/8 сферы К
Рис. 5. Схема формирования полезного сигнала и помех
Анализ показал, что требуемый коэффициент подавления П может достигать 60 дб и более (рис.6). Обеспечить такие значения подавления путем прямой фильтрации сигналов чрезвычайно сложно, а по некоторым местным
предметам и невозможно, что было показано для местных предметов, имеющих спектр дробно-рациональной аппроксимации.
Рис.6. Анализ требуемого коэффициента подавления помех
Для исследуемой информационно-измерительной системы, установлена связь требуемых коэффициентов подавления помех от местности, в зависимости от вида местных предметов и растительных образований, длительности рабочих импульсов, а так же степени когерентности СВЧ приборов приемопередатчика.
Для исследования вопроса возможности подавления помех от местности проведены экспериментальные измерения реальных сигналов, отраженных от различных растительных образований при различной ветровой нагрузке. Разработан стенд имитационного моделирования с микромощным радаром и моделями травы, крон деревьев и имитатором ветра. Результаты показали, что при широких зонах охвата местности большая часть пассивных помех имеет спектр гауссовой формы. Но могут существовать ситуации, когда они становятся дробно-рациональными и не подавляется более чем на 20 дБ. Подавление пассивных помех фильтром верхних частот дает следующие функциональные зависимости коэффициентов передачи и подавления.