СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ СВЕРХЗВУКОВОГО НИЗКОЛЕТЯЩЕГО ОБЪЕКТА ПО СЛЕДУ НА МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПРИ СБЛИЖЕНИИ ДЛЯ ВСТРЕЧИ С ОБЪЕКТОМ
METHOD OF DETERMINING SPEED OF SUPERSONIC LOW-ALTITUDE OBJECT FROM TRACE ON SEA SURFACE WHEN APPROACHING OBJECT

Изобретение относится к области радиолокации, в частности к определению скорости движения малозаметного низколетящего над морской поверхностью (МП) со сверхзвуковой скоростью объекта в случае сближения морского подвижного носителя радиолокатора и объекта в «точку» встречи.
Изобретение позволяет определять скорость даже полностью невидимого объекта, летящего вблизи МП и создающего за собой возмущения воздушного пространства (псевдозвуковую волну). На момент обнаружения предполагается равномерное прямолинейное перемещение объекта над МП без изменения высоты полета со скоростью, превышающей 1,2 Маха.
Способ может быть осуществлен расположенным на судне автономным радиолокатором в пределах радиогоризонта.
Прототип [1] относится к радиолокации и может быть использован при применении картографических радиолокаторов с синтезированной апертурой антенны (РСА). Целью прототипа является повышение достоверности определения вектора скорости надводного корабля. Способ прототипа заключается в формировании с помощью РСА в режиме картографирования радиолокационного изображения (РЛИ) участка водной поверхности с движущимся объектом, измерении на РЛИ смещения по продольной координате изображения корабля относительно начала изображения его корабельного следа, измерении угла между продольной координатой РЛИ и касательной к началу оси изображения корабельного следа и вычислении модуля вектора скорости корабля по формуле. В качестве касательной к началу оси изображения корабельного следа используют касательную к началу изображения кильватерного следа корабля, биссектрису угла между касательными к началам изображений расходящихся ветвей огибающей Кельвиновских волн.
Однако в прототипе объектом измерения скорости является надводный корабль, имеющий кильватерный след и радиолокационно наблюдаемые расходящиеся ветви огибающей Кельвиновских волн. Прототип предназначен для повышения достоверности определения вектора скорости, а не самостоятельного определения скорости. При условии сверхзвуковой скорости объекта имеется необходимость определения скорости объекта на первом обзоре радиолокатора, что исключает применение картографических радиолокаторов.
Аналогом предложенного изобретения можно назвать способ лазерной локации [2], использующий дополнительные к основному отражению от объекта отражения от водной поверхности для уточнения скорости объекта. Однако этот способ использует немодулированное излучение одночастотного лазера непрерывного действия, что в радиолокации ведет к неэффективному использованию потенциала радиолокатора.
Способ определения скорости объекта основан на наличии за объектом следа - протяженной аномалии МП, имеющей радиолокационный контраст относительно остальной МП.
фр
фр
об
фр
об
фр
При обнаружении следа определяется дальность до фронта следа Д, пеленг на фронт следа П, по пространственной ориентации следа определяется курс движения объекта К. По пеленгу на фронт следа П и курсу объекта К определяется курсовой угол с фронта следа на радиолокатор - β:
об
По курсу движения объекта К и по курсу движения носителя радиолокатора определяется угол сближения радиолокатора и объекта α:
Тогда по теореме синусов из треугольника с вершинами «фронт следа», «радиолокатор», «точка сближения» (см. схему) приближенная скорость объекта (она больше фактической на величину, пропорциональную расстоянию между объектом и фронтом следа) равна:
;
p
где V - скорость движения носителя радиолокатора.
изм
расч
В результате радиолокационного зондирования МП методом стробирования снимаются значения измеренной ширины следа В, потом значения усредняются, и рассчитывается значение ширины следа В:
.
Объект будет находиться относительно фронта следа в направлении перемещения фронта впереди на расстоянии Х (см. схему):
;
где 12,7° - угол падения звуковой волны на МП, при котором звуковая волна отражается от границы сред (водной поверхности), в результате чего передача энергии значительно уменьшается [3];
- средний уклон крупных волн МП, для определения среднего уклона крупных волн МП используется отношение интенсивностей обратного рассеяния электромагнитной энергии при двух углах скольжения, не превышающих среднего уклона взволнованной поверхности [4];
об
V - скорость объекта (на начальном этапе расчетов принимается равной приближенному значению - );
зв
ν - скорость звука в пространстве между объектом и МП, которая может быть рассчитана  (Т - температура воздушного пространства между объектом и МП, К);
ΔX - расстояние между объектом и фронтом следа, образованное инерцией реакции МП на воздействие псевдозвуковой волны:
фр
фр
об
ΔX=Δt·V.
фр
Δt - время реакции МП на воздействие псевдозвуковой волны:
,
пв
где V - скорость распространения поверхностных волн, примерно равна трети скорости установившегося ветра;
p
l - радиус пространственной корреляции мелкоструктурных ветровых волн (ряби), для которых выполняется условие резонансного рассеяния электромагнитных волн длиной λ под углом скольжения ψ (условие Брегга):
.
Учет времени реакции МП на псевдозвуковое воздействие приводит к преобразованию формулы расчета Х к виду:
.
об
фр
По теореме косинусов из треугольника со сторонами Д, Д, Х (см. схему) дальность до объекта вычисляется по формуле:
.
об
фр
По теореме синусов из треугольника со сторонами Д, Д, Х (см. схему) разница пеленгов на фронт следа и на объект:
.
Из уравнения свойств углов:
об
фр
β=β+θ.
Тогда, курсовой угол на радиолокатор относительно объекта выражается через уже известные величины:
.
Приближенное значение скорости объекта  позволило рассчитать курсовой угол на радиолокатор относительно объекта. Теперь через курсовой угол на радиолокатор относительно объекта рассчитывается скорость объекта:
.
По известной длине электромагнитной волны λ, излучаемой радиолокатором, и углу скольжения ψ при облучении МП радиолокатором вычисляется промежуточное значение a:
.
По промежуточному значению a и известным величинам вычисляется промежуточное значение b:
.
По промежуточному значению b вычисляется скорость объекта:
.
Осуществление:
До обнаружения следа сверхзвукового низколетящего объекта производится определение среднего уклона крупных волн МП - . Для определения среднего уклона крупных волн МП используется отношение интенсивностей обратного рассеяния электромагнитной энергии при двух углах скольжения, не превышающих среднего уклона взволнованной поверхности.
Вычисляется скорость распространения звука в воздушном пространстве между объектом и МП:
,
где Т - температура воздушного пространства между объектом и МП, К.
пв
Значение скорости распространения поверхностных волн V определяется приближенно как треть скорости установившегося ветра.
фр
фр
об
фр
об
фр
После обнаружения радиолокатором следа объекта определяются дальность до фронта следа Д и пеленг на фронт следа П, по местоположению фронта следа и пространственной ориентации следа определяется направление движения (курс) объекта К. По пеленгу на фронт следа П и курсу объекта К определяется курсовой угол с фронта следа на радиолокатор - β:
об
р
По курсу движения объекта К и по известному курсу движения носителя радиолокатора К определяется угол сближения радиолокатора и объекта α:
изм
Из данных радиолокационного зондирования МП методом стробирования снимаются значения измеренной ширины следа В, потом значения усредняются.
По известной длине электромагнитной волны λ, излучаемой радиолокатором, и углу скольжения ψ при облучении МП радиолокатором вычисляется промежуточное значение a:
.
а
По промежуточному значению  и известным величинам вычисляется промежуточное значение b:
.
По промежуточному значению b вычисляется скорость объекта:
.
Источники информации
1. Рыбаков И.В. Способ определения скорости объекта по радиолокационному изображению в радиолокаторе с синтезированной апертурой антенны. Патент на изобретение №94021083 от 20.04.96 г.
2. Меньших О.Ф. Способ локации. Патент РФ №2296350, 2007.
3. Долгих В.Н., Казанцев Г.И. Прикладная гидрофизика. Часть 1. Гидроакустика: учебник. - Владивосток, ТОВМИ им. С.О.Макарова, 2005, - 488 с.: ил.
4. Ушаков И.Е., Шишкин И.Ф. Радиолокационное зондирование морской поверхности. - М.: РИЦ «Татьянин день», 1997. - 264 с.: ил.