Способ имитации радиосигнала
METHOD OF RADIO SIGNAL IMITATION

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при полунатурном моделировании распространения радиоволн в канале воздух-поверхность с учетом отражений от поверхности путем обеспечения имитации в реальном времени радиосигнала, отраженного от пространственно-распределенной радиофизической сцены, в качестве которой выступают фрагменты земной поверхности с различной степенью шероховатости (рельеф, водные поверхности, растительные покровы, искусственные объекты и т.д.).
Сложность имитации отраженного от земной поверхности радиосигнала, адекватного реальному, для областей радиолокации и радионавигации заключается в том, что искомый сигнал является суперпозицией множества парциальных эхо-сигналов вторичных излучений поверхности земли и различных искусственных объектов, представляющих собой, с точки зрения процессов взаимодействия с ними электромагнитных полей, трехмерную динамическую радиофизическую сцену.
Для адекватной имитации отраженного от земной поверхности радиосигнала необходима разработка способа формирования радиосигнала вторичного многолучевого излучения в сложных динамических трехмерных радиофизических сценах с требуемыми параметрами разрешения, в реальном времени, инвариантного параметрам излучаемых радиосигналов с учетом технических характеристик радиотехнических систем (РТС) и условий полета носителя РТС. При этом данный способ должен формировать радиосигналы с учетом метеоусловий, зон затенения, отраженные от различных типов поверхности (бетон, асфальт, различный грунт, травяной покров, лесные массивы, водоемы, снег, лед, искусственные объекты и т.д.), расположенных на фоне выбранного рельефа земной поверхности.
Известен имитатор радиосигналов [1], позволяющий имитировать сложную радиотехническую обстановку и задавать детерминированное или случайным образом определенное количество лучей, значения для задержек доплеровских сдвигов частоты, замираний. Однако данное устройство не позволяет формировать радиосигналы при моделировании движений по реальным трассам в трехмерных моделях реальных условий и обстановок.
Известен имитатор радиосигналов [2], в котором повышение степени адекватности имитируемых радиолокационных сигналов, отраженных от земной поверхности, достигается за счет введения коэффициентов отражения в зависимости от угла падения для каждого типа поверхности. Недостатком данного способа является конечное число подготовленных фрагментов местности и, как следствие, невозможность физического формирования адекватного радиолокационного сигнала, отраженного от выбранного участка земной поверхности, в режиме моделирования произвольного полета носителя РТС.
В качестве прототипа выбран способ имитации радиосигнала, отраженного от пространственно-распределенной радиофизической сцены, в реальном времени [3].
Данный способ имитации радиолокационного сигнала в режиме реального времени основан на сопровождении антенной РТС центральной точки области сканирования [4]. Вследствие этого изменение импульсной характеристики поверхности рассеивания за время движения носителя РТС в процессе накопления отраженного сигнала по одной угловой позиции состоит в изменении средней задержки распространения, обусловленной средней длиной пути от антенны до группы одновременно облучаемых фацетов и обратно и доплеровских смещений частоты отраженных от фацетов сигналов.
Исходными данными для решения поставленной задачи в прототипе являются сведения о требуемых параметрах разрешения, параметрах движения носителя РТС, положении антенн РТС, а также фацетная модель полигона, привязанная к географическим координатам.
В прототипе [3] формирование отраженного радиолокационного сигнала обеспечивалось последовательностью следующих действий.
Создают фацетную модель испытательного полигона с требуемыми параметрами дискретизации, состоящую из слоев рельефа и естественных покровов.
Задают траекторию полета носителя РТС с указанием точек начала и окончания работы РТС.
Определяют границы области взаимодействия диаграммы направленности антенны (ДН) РТС с подстилающей поверхностью (фацетной моделью испытательного полигона) для одной угловой позиции по координатам местоположения носителя РТС и ширине ДН РТС.
Создают массив фацетов, значимых для последующего формирования отраженного радиосигнала. При этом считалось, что фацет не дает вклада в результирующий эхо-сигнал при выполнении одного из следующих условий:
- угол падения облучающей волны превышает 90°;
- фацет находится в области тени другого фацета;
- уровень ДН РТС в направлении на фацет меньше порогового значения.
Выполняют проверку координат каждого фацета на соблюдение условий затенения их друг другом в соответствии с принципами геометрической оптики, а именно прямолинейного распространения излучения.
Производят вычисление угла падения зондирующего радиосигнала на фацет и удельной эффективной поверхности рассеивания (ЭПР) для каждого значимого фацета.
Разбивают область взаимодействия ДН с поверхностью на последовательность групп одновременно облучаемых фацетов в соответствии с заданным принципом сортировки.
Для каждой группы, с учетом задержек парциальных сигналов фацетов, их доплеровских смещений частоты, затуханий, производят расчет комплексных коэффициентов рассеивания фацетов, находят их векторную сумму и вычисляют обратное преобразования Фурье от полученных сумм.
Производят свертку зондирующего сигнала с последовательностью отсчетов импульсных характеристик групп одновременно облучаемых фацетов для всей области взаимодействия ДН с подстилающей поверхностью.
Недостатком данного способа [3] является отсутствие учета формы диаграммы направленности РТС при имитации в реальном времени радиосигнала, отраженного от пространственно-распределенной радиофизической сцены.
Отсутствие учета формы основного и боковых лепестков диаграммы направленности РТС снижает точность имитации в реальном времени радиосигнала, отраженного от пространственно-распределенной радиофизической сцены.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности имитации в реальном времени радиосигнала, отраженного от пространственно-распределенной радиофизической сцены за счет учета формы основного и боковых лепестков диаграммы направленности РТС.
Технический результат достигается тем, что в способе имитации радиосигнала, отраженного от пространственно-распределенной радиофизической сцены, в реальном времени, заключающемся в задании координат местоположения и параметров движения носителя радиотехнической системы, определении границ области взаимодействия радиоизлучения с участком рассеивающей поверхности, которая аппроксимируется элементарными площадками-фацетами, характерные размеры, параметры неровностей и электрические свойства которых определяются исходя из требуемой точности синтеза радиосигнала и свойств фацетной модели полигона, состоящей из слоев рельефа, естественных покровов и искусственных объектов, после чего выборе фацетов, одновременно видимых с позиции антенны радиотехнической системы, с учетом параметров соответствующей модели рассеивания, метеоусловий, рефракции, зон затенения, движения участников сцены с последующим вычислением угла падения радиолуча и удельной эффективной поверхности рассеяния для каждого фацета из фацетной модели полигона, представлении механизма формирования отраженного радиосигнала как суперпозиции сигналов, рассеянных совокупностью выбранных фацетов - источников парциальных эхо-сигналов вторичных излучений, принимаемых радиотехнической системой в фиксированные моменты времени, в каждый из которых на антенне радиотехнической системы одновременно присутствуют отраженные парциальные сигналы от группы фацетов с разницей задержек распространения, не превышающей половину величины разрешающей способности радиотехнической системы, в сортировке фацетов, выбранных и упорядоченных по возрастанию квантованных задержек распространения их парциальных сигналов, по группам одновременно облучаемых фацетов для каждой из сформированных групп фацетов с учетом задержек парциальных сигналов, доплеровских смещений частоты, затуханий, расчете комплексных коэффициентов рассеивания и нахождении их векторной суммы, вычислении от которой обратного преобразования Фурье, построении в результате чего последовательности комплексных отсчетов импульсных характеристик групп фацетов, определяющих комплексные отсчеты импульсной характеристики радиофизической сцены, формировании путем их свертки с последовательностью отсчетов излучаемого радиотехнической системой радиосигнала имитируемого отраженного радиосигнала, диаграмму направленности радиотехнической системы представляют в виде набора лучей внутри пространства, объем которого определяют формой основного и боковых лепестков диаграммы направленности радиотехнической системы. Диаграмму направленности радиотехнической системы разбивают на лучи с равномерным шагом по угловым отклонениям от центрального луча, совпадающего с направлением оси диаграммы направленности радиотехнической системы. Значение амплитуды каждого луча определяют по коэффициенту усиления диаграммы направленности радиотехнической системы в данном направлении, количество лучей определяют исходя из требуемой точности синтеза радиосигнала. Каждому лучу из набора лучей диаграммы направленности радиотехнической системы ставят в соответствие элементарную площадку на фацетах фацетной модели полигона, с последующим вычислением угла падения луча и удельной эффективной поверхности рассеяния для каждой элементарной площадки. А для нахождения векторной суммы комплексных коэффициентов рассеивания производят расчет комплексных коэффициентов рассеивания, в соответствии с чем выбранные и упорядоченные по возрастанию квантованных задержек распространения их парциальных сигналов элементарные площадки сортируют по группам одновременно облучаемых элементарных площадок для каждой из сформированных групп элементарных площадок с учетом задержек парциальных сигналов, доплеровских смещений частоты, затуханий, формы основного и боковых лепестков диаграммы направленности радиотехнической системы.
Способ имитации радиосигнала реализуется следующим образом.
Исходными для поставленной задачи данными являются:
сведения о требуемых параметрах разрешения, параметрах движения носителя РТС, положении и параметрах антенны РТС, а также фацетная модель полигона, привязанная к географическим координатам.
Подготовку полигона проводят при помощи программного обеспечения с использованием матриц высот над уровнем моря и векторных слоев покровов.
Результирующее поле рассеяния определяют как суперпозицию полей, созданных отдельными слоями. Использование такой модели позволяет уменьшить временные затраты за счет того, что при внесении изменений в моделируемые условия повторную обработку потребуется выполнить лишь для одного или нескольких слоев.
В основу описания фацетов входят следующие ограничения:
- размеры фацета выбирают таким образом, чтобы размеры элемента разрешения по дальности и по азимуту не менее чем в два раза превышали характерные размеры фацета;
- размеры фацета много больше длины облучающей волны;
- высота мелких неровностей фацета меньше длины облучающей волны;
- расстояние пространственной корреляции неровностей фацета, характеризующее изменения высоты мелких и крупных неровностей по поверхности фацета, существенно меньше размеров фацета;
- закон распределения мелких и крупных неровностей по всей поверхности фацета принимается нормальным;
- средняя высота мелких неровностей совпадает с поверхностью крупных, сглаженных неровностей, а средней поверхностью крупных неровностей является плоская поверхность фацета;
- дисперсии крупных и мелких неровностей равны, соответственно,  и , причем  много больше .
h1
h2
Корреляционные функции мелких и крупных неровностей изотропны, причем интервал корреляции крупной шероховатости l значительно больше интервала корреляции мелкой шероховатости l.
Диаграмму направленности антенны РТС представляют в виде набора лучей внутри пространства, объем которого определяют формой основного и боковых лепестков ДН.
Принимают за центральный луч луч, совпадающий с направлением оси ДН.
ДН разбивают на лучи с равномерным шагом по угловым отклонениям от центрального луча, значение амплитуды каждого луча определяют по коэффициенту усиления ДН в данном направлении.
Количество лучей определяют исходя из требуемой точности синтеза радиосигнала.
Каждому лучу из набора ДН ставят в соответствие элементарную площадку на фацетах фацетной модели полигона. Каждый такой луч определяют точкой излучения и точкой пересечения луча с центром конкретной элементарной площадки.
Принимают, что каждой элементарной площадке соответствует падающий луч с постоянным значением коэффициента усиления ДН.
Значение коэффициента усиления ДН для каждого луча из набора ДН вычисляют следующим образом. По известным координатам центрального луча ДН и текущего луча из набора ДН рассчитывают угол между этими лучами. Затем в соответствии с заданной формой ДН определяют значение коэффициента усиления ДН, текущему углу соответствующее.
Вычисляют угол падения луча и удельную эффективную поверхность рассеяния (ЭПР) для каждой элементарной площадки.
Представляют формирование отраженного сигнала как прохождение радиосигнала через линейную систему с распределенными параметрами. Тогда процесс получения отраженного сигнала будет обеспечиваться путем свертки радиосигнала с импульсной характеристикой поверхности рассеивания, рассчитанной для последовательности фиксированных моментов времени в соответствии с исходными условиями моделирования. При этом поверхность рассеивания аппроксимируют совокупностью элементарных площадок на фацетах из фацетной модели полигона, средний уровень мелких неровностей которых совпадает с поверхностью крупных (сглаженных) неровностей.
Результирующий отраженный сигнал представляют как суперпозицию отраженных сигналов от отдельных элементарных площадок, каждый из которых равен радиосигналу, задержанному на время распространения от антенны РТС до элементарной площадки и от элементарной площадки до антенны РТС и умноженному на некоторую комплексную величину.
Сортируют упорядоченные по возрастанию задержек распространения парциальные сигналы от элементарных площадок. При этом считают, что в фиксированные моменты времени в точке расположения антенны одновременно присутствуют парциальные сигналы группы элементарных площадок, разница задержек распространения которых не превышает половину величины разрешающей способности приемного устройства при условии - элементарные площадки находятся в зоне видимости антенны РТС (отсутствует затенение одними элементарными площадками других). Поэтому принимается, что задержки распространения парциальных сигналов таких фацетов можно считать одинаковыми.
Выражение для отраженного сигнала  представляют в следующем виде:
,
где N - число групп элементарных площадок с одинаковыми задержками распространения;
- излучаемый радиосигнал;
- комплексные множители;
dn
t - время задержки сигнала, соответствующее n-й группе.
n
Комплексные множители h совпадают с конечной импульсной характеристикой длиной N отсчетов дискретного фильтра. Таким образом, имитируемый отраженный сигнал фактически представляет собой свертку излучаемого радиосигнала с последовательностью дискретных отсчетов импульсной характеристики поверхности рассеивания, совпадающей с последовательностью импульсных характеристик групп облучаемых элементарных площадок, при условии, что расстояние между соседними отсчетами импульсной характеристики облучаемого участка поверхности не превышает половину величины разрешающей способности приемного устройства.
Поле рассеяния от группы облучаемых элементарных площадок  представляют в виде геометрической суммы полей, рассеянных отдельными разно наклоненными элементарными площадками :
,
где N - число элементарных площадок в группе.
Тогда суммарное поле рассеяния выражают в следующем виде:
,
,
где  - матрица рассеяния группы элементарных площадок;
- вертикальная, горизонтальная плоскости;
- поле излучаемого радиосигнала;
- соответствующий элемент матрицы рассеяния элементарной площадки.
Каждый элемент данной матрицы представляет собой комплексную величину, зависящую от:
- свойств элементарной площадки (учет различных типов поверхности),
- местоположения элементарной площадки относительно точки излучения (учет зон затенения и доплеровской частоты),
- ориентации элементарной площадки к направлению облучения (учет диаграммы обратного рассеивания (ДОР) поверхности для данного направления),
- расстояния между элементарной площадкой и точкой приема (учет метеоусловий),
- отклонения луча, падающего на данную элементарную площадку, от центрального луча ДН (коэффициента усиления ДН РТС для данного направления).
Матрицу рассеяния отдельной элементарной площадки  [5] можно записать в следующем виде:
,
0k
где R - расстояние от точки приема до центра соответствующей элементарной площадки;
pk
S - площадь элементарной площадки;
ijk
σ - значения удельной ЭПР отдельной элементарной площадки.
Рассеивающие свойства элементарной площадки определяют типом рассеивающей поверхности, поэтому для вычисления значений удельной ЭПР каждого фацета выбирают свою модель рассеяния, зависящую от диэлектрических свойств поверхности и характерных размеров мелких и крупных неровностей.
Элементы матрицы рассеяния группы облучаемых элементарных площадок , после соответствующих преобразований в элементы матрицы эффективной длины  по формуле
,
0
где R - среднее расстояние до фацетов группы, фактически представляют собой частотные характеристики группы элементарных площадок, из которых, с помощью обратного преобразования Фурье, получают комплексные отсчеты импульсной характеристики группы облучаемых элементарных площадок.
Результирующая импульсная характеристика поверхности рассеивания представляет собой последовательность дискретных отсчетов во времени, фактически совпадающих с последовательностью импульсных характеристик групп облучаемых элементарных площадок.
Производят свертку зондирующего радиосигнала с последовательностью отсчетов импульсных характеристик групп одновременно облучаемых элементарных площадок и получают имитацию отраженного от пространственно-распределенной поверхности.
Таким образом, способ имитации радиосигнала обладает рядом существенных преимуществ перед аналогом и прототипом, поскольку значительно повышается точность имитации за счет учета формы основного и боковых лепестков ДН РТС.
Предложенный способ позволяет формировать радиосигналы с учетом метеоусловий, зон затенения, отраженные от различных типов поверхности (бетон, асфальт, различный грунт, травяной покров, лесные массивы, водоемы, снег, лед, искусственных объектов и т.д.), расположенных на фоне выбранного рельефа земной поверхности.
Предложенный способ позволяет формировать радиосигнал вторичного многолучевого излучения в сложных динамических трехмерных радиофизических сценах с требуемыми параметрами разрешения, в реальном времени, инвариантно параметрам излучаемых радиосигналов.
Предложенный способ имитации радиосигнала, отраженного от пространственно-распределенной динамической радиофизической сцены, в реальном времени, позволяет расширить технические возможности известных технологий виртуальной реальности путем физического синтеза отраженного радиосигнала. Существенным достоинством предлагаемого способа является единый подход к реализации задачи синтеза отраженного радиосигнала для областей радионавигации, радиолокации (режим воздух-поверхность) и радиосвязи в многолучевых задачах.
Источники информации
1 Патент РФ №2094815, МПК G01S 7/40. Имитатор источников радиосигналов // Изобретения. Полезные модели. - 1997 - Опубл. 27.10.1997.
2 А.С. №474508, МПК G01S 7/40. Устройство имитации радиолокационных сигналов, отраженных от земной поверхности // 1975 - Опубл. 25.06.1975. - Бюл. №23.
3 Патент РФ №2386143, МПК G01S, Способ имитации радиосигнала, отраженного от пространственно-распределенной динамической радиофизической сцены, в реальном времени // Изобретения. Полезные модели. - 2010. - Опубл. 10.04.2010. - Бюл. №10. (прототип).
4 Ю.В. Киселева, А.Н. Кренев, Анализ влияния движения носителя БРС на качество формирования кадра радиоизображения в режиме картографирования. Вестник Ярославского зенитного ракетного института противовоздушной обороны: Сборник научных трудов / ЯЗРИ ПВО, Ярославль, 2002 г., Выпуск 3, с. 14-18.
5 Ю.В. Киселева, А.Н. Кренев. Исследование отражений от земной поверхности методом математического моделирования. Сборник докладов VII Международной научно-технической конференции «Радиолокация Навигация Связь». Том 3, Воронеж, 24-26 апреля 2001 г.