RU2386143C2 - Method of simulating radio signal reflected from spatially distributed dynamic radiophysical scene in real time - Google Patents
Method of simulating radio signal reflected from spatially distributed dynamic radiophysical scene in real time Download PDFInfo
- Publication number
- RU2386143C2 RU2386143C2 RU2008122328/09A RU2008122328A RU2386143C2 RU 2386143 C2 RU2386143 C2 RU 2386143C2 RU 2008122328/09 A RU2008122328/09 A RU 2008122328/09A RU 2008122328 A RU2008122328 A RU 2008122328A RU 2386143 C2 RU2386143 C2 RU 2386143C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- facets
- radio
- facet
- scene
- radio signal
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к областям радиолокации, радионавигации и радиосвязи и может быть использовано при полунатурном моделировании многолучевого распространения радиоволн в каналах воздух-поверхность и воздух-воздух с учетом отражений от поверхности путем обеспечения имитации радиосигнала, отраженного от пространственно распределенной динамической радиофизической сцены, в качестве которой выступают фрагменты земной поверхности с различной степенью шероховатости (рельеф, водные поверхности, растительные покровы и искусственные объекты), а также движущиеся цели на фоне земной поверхности, с учетом параметров зондирующего радиосигнала, в реальном времени.The invention relates to the field of radar, radio navigation and radio communications and can be used for semi-full-scale simulation of multipath propagation of radio waves in air-surface and air-air channels taking into account reflections from the surface by providing a simulation of a radio signal reflected from a spatially distributed dynamic radiophysical scene, which are fragments of the earth’s surface with varying degrees of roughness (relief, water surfaces, vegetation cover and artificial objects), as well as moving targets on the background of the earth's surface, taking into account the parameters of the probing radio signal, in real time.
Исследования показывают, что вопросам имитации эхо-сигналов посвящено большое количество работ, однако практически все они описывают процесс формирования радиосигнала, отраженного от отдельных целей без учета подстилающей поверхности [1], [2], [3], [4], [5], либо используют тестовые сигналы, отраженные от протяженных объектов, в том числе и от земной поверхности со случайным рельефом, без учета особенностей строения рельефа облучаемых участков поверхности [6].Studies show that a large number of works have been devoted to the issues of echo signal simulation, however, almost all of them describe the process of generating a radio signal reflected from individual targets without taking into account the underlying surface [1], [2], [3], [4], [5] or use test signals reflected from extended objects, including from the earth's surface with a random relief, without taking into account the structural features of the relief of the irradiated surface sections [6].
В изобретении [7] авторами предпринята попытка повышения степени адекватности имитируемых радиолокационных сигналов, отраженных от земной поверхности, 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 РЛС.In the invention [7], the authors attempted to increase the degree of adequacy of simulated radar signals reflected from the earth's surface by introducing reflection coefficients depending on the angle of incidence for each type of surface. The disadvantage of this method is the finite number of prepared terrain fragments and, as a result, the impossibility of physically generating an adequate radar signal reflected from a selected area of the earth's surface in the simulation mode of an arbitrary flight of a radar carrier.
Известен имитатор источников радиосигналов [8], 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.A known simulator of radio signal sources [8], which allows you to simulate a complex radio environment and set a deterministic or randomly determined number of rays, values for the delays of Doppler frequency shifts, fading. However, this device does not allow the formation of radio signals when simulating movements along real routes in three-dimensional models of real conditions and conditions.
Известны также наиболее распространенные в настоящее время в авиации системы визуализации полета в реальном масштабе времени, основанные на использовании специализированных графических компьютеров и предназначенные для формирования и анализа изображения поверхности, текстуры и различных объектов на их фоне [9], [10], позволяющие получать изображения с требуемой степенью адекватности реальным, функциональные и технические возможности которых не позволяют производить последующий синтез радиосигнала, отраженного от выбранного типа подстилающей поверхности.Also known are the currently most common real-time flight visualization systems in aviation, based on the use of specialized graphic computers and intended for the formation and analysis of surface images, textures and various objects against their background [9], [10], which make it possible to obtain images with the required degree of real adequacy, the functional and technical capabilities of which do not allow the subsequent synthesis of the radio signal reflected from the selected type under Til surface.
В качестве прототипа выбран способ [11], комбинирующий визуальную и радиолокационную имитационные системы и заключающийся в последовательной генерации визуального образа поверхности, используя базы географических данных и сведений о типе покрова и местоположении искусственных объектов, нахождении области освещения данной поверхности радиолокационными средствами и имитации радиолокационного портрета в режимах высокого и низкого разрешения в реальном времени.The method [11] was selected as a prototype, combining visual and radar simulation systems and consistently generating a visual image of the surface using geographic databases and information about the type of cover and location of artificial objects, finding the area of illumination of this surface by radar tools and simulating a radar portrait in real-time high and low resolution modes.
Однако данный способ обладает существенным недостатком, заключающимся в отсутствии возможности синтеза радиосигнала, отраженного от выбранного участка поверхности.However, this method has a significant drawback, consisting in the lack of the ability to synthesize a radio signal reflected from a selected surface area.
Сложность задачи синтеза отраженного радиосигнала, адекватного реальной обстановке, для областей радиолокации и радиосвязи заключается в том, что искомый сигнал является суперпозицией сотен тысяч-миллионов 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. Взаимодействие электромагнитных волн с элементами радиофизической сцены инвариантно для различных радиотехнических систем, что и позволяет говорить о возможности единого подхода к способу имитации радиосигналов различных радиотехнических систем в сложных многолучевых радиоканалах.The complexity of the problem of synthesizing a reflected radio signal adequate to the real situation for the areas of radar and radio communications lies in the fact that the desired signal is a superposition of hundreds of thousands of millions of partial echoes of the secondary radiation of the earth's surface and various artificial objects, which, in terms of the processes of interaction with them of electromagnetic fields, three-dimensional dynamic radiophysical scene. The interaction of electromagnetic waves with elements of the radiophysical scene is invariant for various radio systems, which suggests the possibility of a unified approach to the method of simulating radio signals of various radio systems in complex multipath radio channels.
При этом необходимая, в частности для радиолокационных систем с когерентной обработкой и синтезированной апертурой антенны, точность синтеза составляет, как минимум, десятые доли градуса по фазе для каждого парциального сигнала в динамике реального времени полета самолета и целей.At the same time, necessary, in particular for radar systems with coherent processing and a synthesized aperture of the antenna, the synthesis accuracy is at least tenths of a degree in phase for each partial signal in the dynamics of real-time flight of the aircraft and targets.
Задача изобретения заключается в разработке способа формирования радиосигнала вторичного многолучевого излучения в сложных динамических трехмерных радиофизических сценах с требуемыми параметрами разрешения, в реальном времени, инвариантного параметрам излучаемых радиосигналов.The objective of the invention is to develop a method for generating a radio signal of secondary multipath radiation in complex dynamic three-dimensional radiophysical scenes with the required resolution parameters, in real time, invariant to the parameters of the emitted radio signals.
Под реальным временем, при синтезе имитируемого радиосигнала, мы будем понимать такие временные задержки, которые не оказывают влияния на режимы и характеристики функционирования радиотехнических систем при обработке синтезированного сигнала.By real time, in the synthesis of a simulated radio signal, we mean such time delays that do not affect the modes and characteristics of the functioning of radio systems during the processing of the synthesized signal.
При этом данный способ должен позволить формировать эхо-сигналы с учетом метеоусловий, рефракции, зон затенения, отраженные от различных типов поверхности, например бетон, асфальт, песок, различный грунт, травяной покров, лесные массивы, водоемы, снег, лед, искусственных объектов, расположенных на фоне выбранного земного покрова, воздушных объектов на фоне земной поверхности, а также наземных и воздушных подвижных объектов.Moreover, this method should allow the formation of echo signals taking into account weather conditions, refraction, shading zones reflected from various surface types, for example concrete, asphalt, sand, various soil, grass cover, forests, ponds, snow, ice, artificial objects, located on the background of the selected land cover, aerial objects on the background of the earth's surface, as well as ground and air moving objects.
Исходными для поставленной задачи данными являются сведения о требуемых параметрах разрешения, параметрах движения носителей антенн, положении антенн, а также фацетная модель полигона, привязанная к географическим координатам.The initial data for the task are data on the required resolution parameters, motion parameters of the antenna carriers, the position of the antennas, as well as the facet model of the polygon, tied to geographical coordinates.
Подготовка полигона проводится при помощи программного обеспечения с использованием матриц высот над уровнем моря и векторных слоев покровов. На фиг.1 схематически представлена структура модели местности с учетом последовательности введения отдельных слоев, значимых для формирования радиосигнала.The preparation of the landfill is carried out using software using altitude matrixes and vector cover layers. Figure 1 schematically shows the structure of the terrain model taking into account the sequence of introduction of the individual layers that are significant for the formation of the radio signal.
При этом результирующее поле рассеяния определяется как суперпозиция 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.In this case, the resulting scattering field is defined as a superposition of the fields created by individual layers. Using this model allows you to reduce time costs due to the fact that when making changes to the simulated conditions, reprocessing will need to be performed for only one or several layers.
Следует отметить, что при выделении отдельного слоя используется принцип маскирования, например, слой рельефа образован не всей поверхностью картографируемой области, а лишь той ее частью, на которой нет относящихся к другим слоям объектов, за исключением динамических. Такое исключение обусловлено тем, что вследствие перемещения динамических объектов слой рельефа будет подвергаться изменениям, что делает бессмысленным его выделение в самостоятельный слой.It should be noted that when selecting a separate layer, the principle of masking is used, for example, a relief layer is formed not by the entire surface of the region being mapped, but only by its part on which there are no objects belonging to other layers, except for dynamic ones. This exception is due to the fact that due to the movement of dynamic objects, the relief layer will undergo changes, which makes it senseless to separate it into an independent layer.
Для решения поставленной задачи механизм формирования отраженного сигнала предлагается представить 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.To solve this problem, it is proposed to present the mechanism for the formation of a reflected signal as the passage of a radio signal through a linear system with distributed parameters. Then the process of obtaining the reflected signal will be ensured by convolution of the radio signal with the impulse response of the scattering surface, calculated for a sequence of fixed points in time in accordance with the initial conditions of the simulation.
При этом поверхность рассеивания аппроксимируется совокупностью шероховатых пластин-фацетов (см. фиг.2), средний уровень мелких неровностей которых совпадает с поверхностью крупных (сглаженных) неровностей.In this case, the dispersion surface is approximated by a set of rough facet plates (see Fig. 2), the average level of small irregularities of which coincides with the surface of large (smoothed) irregularities.
Тогда результирующий эхо-сигнал можно выразить как суперпозицию парциальных сигналов отдельных фацетов, каждый из которых равен радиосигналу, задержанному на время распространения от передающей антенны до фацета плюс от фацета до приемной антенны и умноженному на некоторую комплексную величину.Then the resulting echo signal can be expressed as a superposition of the partial signals of the individual facets, each of which is equal to the radio signal delayed by the propagation time from the transmitting antenna to the facet plus from the facet to the receiving antenna and multiplied by some complex value.
В основе предлагаемого способа лежит принцип сортировки упорядоченных по возрастанию квантованных задержек распространения парциальных сигналов фацетов. При этом считается, что в фиксированные моменты времени, в точке расположения приемной антенны, одновременно присутствуют парциальные сигналы группы фацетов, разница задержек распространения которых не превышает половину величины разрешающей способности приемного устройства при условии, что фацеты находятся в зоне видимости со стороны передающей и приемной антенн одновременно. Поэтому принимается, что задержки распространения парциальных сигналов таких фацетов можно считать одинаковыми. Следует отметить, что проведенное квантование задержек приводит к погрешности формируемого сигнала. При этом величина коэффициента взаимной корреляции с сигналом, рассчитанным без квантования задержек, составляет порядка девяносто пяти процентов.The basis of the proposed method is the principle of sorting ordered by increasing quantized propagation delays of partial signals of the facets. It is believed that at fixed times, at the location of the receiving antenna, at the same time there are partial signals of the fatset group, the difference in propagation delays of which does not exceed half the magnitude of the resolving power of the receiving device, provided that the fatsets are in range from the transmitting and receiving antennas at the same time. Therefore, it is accepted that the propagation delays of partial signals of such facets can be considered the same. It should be noted that the quantization of the delays leads to an error in the generated signal. In this case, the cross-correlation coefficient with the signal calculated without quantizing the delays is about ninety-five percent.
Выражение для эхо-сигнала представляется в следующем виде:The expression for the echo is represented as follows:
где N число групп фацетов с одинаковыми задержками распространения;where N is the number of facet groups with the same propagation delays;
tdn - время задержки сигнала, соответствующее n-й группе.t dn is the signal delay time corresponding to the nth group.
Комплексные множители 
На фиг.3 приведен пример картографирования в режиме низкого разрешения. Луч локатора шириной δφ* последовательно переключается с 1-q по N-ю угловую позицию. Размеры элемента разрешения по азимуту (δφ*) и по дальности (Δt/2) определяются шириной луча и длительностью импульса.Figure 3 shows an example of mapping in low resolution mode. A locator beam of width δφ * sequentially switches from 1-q to the N-th angular position. The dimensions of the resolution element in azimuth (δφ * ) and in range (Δt / 2) are determined by the beam width and the pulse duration.
На фиг.4 приведен пример картографирования в режиме высокого разрешения (режим с синтезированной апертурой) для одного углового положения антенны и движения самолета по прямой с постоянной скоростью. В этом случае размеры элемента разрешения по азимуту определяются характерными размерами отдельного фацета, из которых смоделирована область взаимодействия ДНА РЛС с подстилающей поверхностью (за счет появления доплеровского сдвига частоты отраженного сигнала от каждого фацета, возникающего за счет движения самолета).Figure 4 shows an example of mapping in high resolution mode (synthetic aperture mode) for one angular position of the antenna and the movement of the aircraft in a straight line at a constant speed. In this case, the dimensions of the azimuth resolution element are determined by the characteristic dimensions of the individual facet, from which the region of interaction between the radar bottom and the underlying surface is modeled (due to the appearance of the Doppler frequency shift of the reflected signal from each facet arising from the movement of the aircraft).
Механизм распространения радиосигнала представляется следующим образом. Последовательность когерентных радиоимпульсов, каждый из которых длительностью τu, через время tmin достигает начала картографируемой площадки S и через время t3min поступает на приемное устройство локатора. В результате последовательного приращения облучаемой площадки S0(t) в приемном устройстве формируется результирующий сигнал.The propagation mechanism of the radio signal is as follows. A sequence of coherent radio pulses, each of duration τ u , after time t min reaches the beginning of the mapping site S and after time t 3min arrives at the receiver of the locator. As a result of the sequential increment of the irradiated site S 0 (t), a resulting signal is generated in the receiving device.
По достижению радиуса Dmax площадка S0(t) выходит из зоны энергетической значимости луча и сигнал затухает.Upon reaching the radius D max, the site S 0 (t) leaves the zone of energy significance of the beam and the signal decays.
При моделировании отраженного сигнала используется участок времени в интервале [tmin, tmax], при этом каждый дискретный отсчет отраженного сигнала в любой момент времени совпадает со значениями сигнала, отраженного от группы одновременно облучаемых фацетов площадки S0(t).When modeling the reflected signal, a time interval is used in the interval [t min , t max ], and each discrete sample of the reflected signal at any time coincides with the signal reflected from the group of simultaneously irradiated facets of the site S 0 (t).
В режиме воздух-воздух, когда происходит движение носителей приемной и передающей антенн (см. фиг.5) и учитывается многолучевой характер распространения переданного радиосигнала, обусловленный мешающими отражениями от поверхности, механизм взаимодействия радиосигнала с рассеивающей поверхностью моделируется следующим образом. В этом случае область взаимодействия ДН-антенн с поверхностью разбивается на совокупность концентрических слоев, границы которых определяются исходя из условия о равенстве сумм расстояний от передающей антенны до фацета R1 и от фацета до приемной антенны R2, а ширина определяется разрешающей способностью приемного устройства. При этом считается, что в любой момент времени на входе приемной антенны одновременно будут присутствовать парциальные сигналы фацетов, находящихся внутри одного слоя. Сортировка фацетов по слоям выполняется исходя из значения суммы расстояний от передающей антенны до фацета и от фацета до приемной антенны.In the air-air mode, when there is a movement of the carriers of the receiving and transmitting antennas (see Fig. 5) and the multipath propagation of the transmitted radio signal due to interfering reflections from the surface is taken into account, the mechanism of interaction of the radio signal with the scattering surface is modeled as follows. In this case, the area of interaction between the DN antennas and the surface is divided into a set of concentric layers, the boundaries of which are determined based on the condition that the sums of the distances from the transmitting antenna to the facet R1 and from the facet to the receiving antenna R2 are equal, and the width is determined by the resolution of the receiving device. At the same time, it is believed that at any time at the input of the receiving antenna there will simultaneously be partial signals of the facets located inside one layer. Facets are sorted by layers based on the sum of the distances from the transmitting antenna to the facet and from the facet to the receiving antenna.
Поле рассеяния от группы облучаемых фацетов представляется в виде геометрической суммы полей, рассеянных отдельными разно наклоненными фацетамиThe scattering field from the group of irradiated facets is represented as the geometric sum of the fields scattered by individual differently inclined facets
где N - число фацетов в группе.where N is the number of facets in the group.
Тогда суммарное поле рассеяния выражается в следующем виде:Then the total scattering field is expressed as follows:
где 
Каждый элемент данной матрицы представляет собой комплексную величину, зависящую от свойств фацета, его ориентации к направлениям облучения и приема, определяемой вектором нормали n0 к фацету, а также от расстояния между фацетом и точкой приема R0k (см. Фиг.6).Each element of this matrix is a complex quantity depending on the properties of the facet, its orientation to the directions of irradiation and reception, determined by the normal vector n 0 to the facet, and also on the distance between the facet and the receiving point R 0k (see Fig. 6).
Здесь О - центр системы отчета, связанной с положением передающей антенны;Here O is the center of the reporting system associated with the position of the transmitting antenna;
Е - вектор напряженности электрического поля падающей волны;E is the vector of the electric field of the incident wave;
k01 - вектор, характеризующий направление падающей волны;k 01 is a vector characterizing the direction of the incident wave;
υфk - угол падения луча на фацет (между направлением падающей волны и вектором нормали к плоскости фацета);υ фk - angle of incidence of the beam on the facet (between the direction of the incident wave and the normal vector to the facet plane);
ρфk - угол между вектором напряженности электрического поля падающей волныρ fk is the angle between the electric field vector of the incident wave
Е и плоскостью фацета.E and facet plane.
В основу описания фацетов входят следующие ограничения:The facets description is based on the following restrictions:
- размеры фацета выбираются таким образом, чтобы размеры элемента разрешения по дальности и по азимуту не менее чем в два раза превышали характерные размеры фацета;- the facet sizes are selected so that the dimensions of the resolution element in range and azimuth are at least two times the characteristic dimensions of the facet;
- размеры фацета много больше длины облучающей волны;- the size of the facet is much greater than the length of the irradiating wave;
- высота мелких неровностей фацета меньше длины облучающей волны;- the height of the small irregularities of the facet is less than the length of the irradiating wave;
- расстояние пространственной корреляции неровностей фацета, характеризующее изменения высоты мелких и крупных неровностей по поверхности фацета, существенно меньше размеров фацета;- the distance of the spatial correlation of facet irregularities, characterizing changes in the height of small and large irregularities on the facet surface, is significantly smaller than the facet size;
- закон распределения мелких и крупных неровностей по всей поверхности фацета принимается нормальным;- the law of distribution of small and large irregularities over the entire facet surface is accepted as normal;
- средняя высота мелких неровностей совпадает с поверхностью крупных, сглаженных неровностей, а средней поверхностью крупных неровностей является плоская поверхность фацета;- the average height of small irregularities coincides with the surface of large, smoothed irregularities, and the average surface of large irregularities is the flat facet surface;
- дисперсии крупных и мелких неровностей равны соответственно 
Корреляционные функции мелких и крупных неровностей изотропны и определяются следующей формулой:The correlation functions of small and large irregularities are isotropic and are determined by the following formula:
т.е. используется гауссовская кривая, причем интервал корреляции крупной шероховатости lh1 значительно больше интервала корреляции мелкой шероховатости lh2.those. a Gaussian curve is used, and the coarse correlation interval l h1 is much larger than the coarse correlation interval l h2 .
Матрицу рассеяния отдельного фацета [12] можно записать в следующем виде:The scattering matrix of a single facet [12] can be written in the following form:
где R0k - расстояние от точки приема до центра соответствующего фацета;where R 0k is the distance from the receiving point to the center of the corresponding facet;
Sрk - площадь фацета;S pk - facet area;
σijk - значения удельной ЭПР отдельного фацета.σ ijk are the values of the specific EPR of a single facet.
Следует отметить, что рассеивающие свойства фацета определяются типом рассеивающей поверхности, поэтому для вычисления значений удельной ЭПР каждого фацета выбирается своя модель рассеяния, зависящая от диэлектрических свойств поверхности и характерных размеров мелких и крупных неровностей.It should be noted that the scattering properties of the facet are determined by the type of scattering surface; therefore, to calculate the values of the specific EPR of each facet, a scattering model is selected that depends on the dielectric properties of the surface and the characteristic dimensions of small and large irregularities.
Элементы матрицы рассеяния группы облучаемых фацетов 
где R0 - среднее расстояние до фацетов группы, фактически представляют собой частотные характеристики группы фацетов, из которых, с помощью обратного преобразования Фурье, получаются комплексные отсчеты импульсной характеристики группы облучаемых фацетов.where R 0 is the average distance to the group facets, in fact, they represent the frequency characteristics of the group of facets, from which, using the inverse Fourier transform, complex samples of the impulse response of the group of irradiated facets are obtained.
Результирующая импульсная характеристика поверхности рассеивания представляет собой последовательность дискретных отсчетов во времени, фактически совпадающих с последовательностью импульсных характеристик групп облучаемых фацетов.The resulting impulse response of the scattering surface is a sequence of discrete samples in time that actually coincide with the sequence of impulse characteristics of the groups of irradiated facets.
На примере задачи радиолокационного картографирования Земной поверхности движущейся БРЛС было проведено численное моделирование, по результатам которого был получен массив отсчетов отраженного сигнала. При этом параметры БРЛС и картографируемой поверхности были следующие. Высота носителя БРЛС над поверхностью Земли задавалась равной 5000 м. Углы раскрыва антенны в азимутальной и угломестной плоскостях были равны 4,5 градусов. Размеры картографируемой области в режиме низкого разрешения по дальности составляли порядка 47 км, по азимуту порядка 64,5 км (74 градуса). При этом количество угловых положений антенны было равно 159, угол между соседними угловыми положениями равен 0,468 градуса. Характерные размеры фацетов, с помощью которых моделировалась область взаимодействия радиолуча с поверхностью Земли, составляли порядка 90 м. Размеры элемента разрешения в данном режиме были равны 200×4000 м.On the example of the problem of radar mapping of the Earth’s surface of a moving radar, a numerical simulation was carried out, based on which an array of samples of the reflected signal was obtained. The parameters of the radar and the surface to be mapped were as follows. The height of the radar carrier above the Earth's surface was set equal to 5000 m. The aperture angles of the antenna in the azimuth and elevation planes were 4.5 degrees. The dimensions of the mapped area in the low-resolution range range were about 47 km, and about 64.5 km (74 degrees) in azimuth. The number of angular positions of the antenna was 159, the angle between adjacent angular positions was 0.468 degrees. The characteristic dimensions of the facets, with the help of which the region of interaction of the radio beam with the Earth's surface was simulated, were about 90 m. The dimensions of the resolution element in this mode were 200 × 4000 m.
Размеры картографируемой области в режиме высокого разрешения по дальности составляли порядка 7,5 км, по азимуту порядка 3 км, количество угловых положений антенны было равно 1. Угол азимута области картографирования относительно линии движения в начальный момент времени составлял 15 градусов, а дальность до центра области - 46 км. Полигонная модель поверхности строилась по матрице высот рельефа с учетом слоев водного и лесного покровов. Линейные размеры фацетов были вдвое меньше разрешающей способности БРЛС и составляли порядка 7,5 м.The dimensions of the region to be mapped in the high-resolution mode were about 7.5 km in azimuth, about 3 km in azimuth, and the number of angular positions of the antenna was 1. The azimuth angle of the mapping region relative to the line of motion at the initial time was 15 degrees, and the distance to the center of the region - 46 km. The polygon model of the surface was built on the matrix of elevations of the relief, taking into account the layers of water and forest cover. The linear dimensions of the facets were half the resolution of the radar and amounted to about 7.5 m.
Алгоритм способа формирования радиолокационного сигнала обеспечивался последовательностью следующих действий:The algorithm of the method of generating a radar signal was provided by the sequence of the following actions:
1. В зависимости от выбранного режима картографирования (с высоким, низким или средним разрешением) подгружались файлы фацетной модели испытательного полигона с требуемыми параметрами дискретизации, в данном случае состоящей из слоев рельефа и естественных покровов.1. Depending on the selected mapping mode (with high, low or medium resolution), facet model files of the test site with the required discretization parameters, in this case consisting of relief layers and natural covers, were loaded.
2. Задавалась программа полета носителя БРЛС с указанием узловых точек начала и окончания режима картографирования либо выбирался полет под управлением оператора (по произвольной программе).2. A flight radar carrier flight program was specified with an indication of the nodal points of the beginning and end of the mapping mode, or a flight was selected under the control of the operator (according to an arbitrary program).
3. По координатам положения самолета и центральной точки сканируемой области в момент начала картографирования рассчитывались вертикальный и горизонтальный углы положения антенны.3. Based on the coordinates of the position of the aircraft and the central point of the scanned area at the time of the start of mapping, the vertical and horizontal angles of the antenna were calculated.
4. С помощью методов последовательного приближения находились границы области взаимодействия диаграммы направленности антенны БРЛС с подстилающей поверхностью для одной угловой позиции.4. Using the methods of successive approximation, the boundaries of the interaction region of the radar antenna pattern with the underlying surface were found for one angular position.
5. Создавался 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:5. An array of facets was created that was significant for the subsequent formation of the reflected radio signal. It was believed that the facet does not contribute to the resulting echo when one of the following conditions is met:
- угол падения облучающей волны превышает 90°;- the angle of incidence of the irradiating wave exceeds 90 °;
- фацет находится в области тени другого фацета;- the facet is in the shadow area of another facet;
- уровень ДН антенны БРЛС в направлении на фацет меньше порогового значения.- the bottom level of the radar antenna in the facet direction is less than the threshold value.
Следует отметить, что для выполнения режима реального времени определение области тени и уровня диаграммы направленности осуществлялось табличным методом, при помощи вычислений угломестной и азимутальной координат фацета в системе координат антенны, после чего для выявления области тени проводилась последовательная проверка координат каждого фацета с последующей группировкой на зоны, внутри которых должны попадать фацеты, потенциально затеняющие друг друга. Затем внутри каждой зоны производилась проверка на соблюдение условий затенения в соответствии с принципами геометрической оптики, а именно прямолинейного распространения излучения.It should be noted that in order to execute the real-time mode, the shadow region and the radiation pattern level were determined by the tabular method, by calculating the elevation and azimuthal facet coordinates in the antenna coordinate system, after which, to identify the shadow region, the coordinates of each facet were sequentially checked, followed by grouping into zones inside which facets should potentially fall, potentially shading each other. Then, inside each zone, a check was made for observance of the shading conditions in accordance with the principles of geometric optics, namely, the straight-line propagation of radiation.
6. Производилось вычисление угла падения зондирующего радиосигнала на фацет и удельной ЭПР для каждого значимого фацета.6. The angle of incidence of the probing radio signal on the facet and the specific EPR for each significant facet was calculated.
7. В соответствии с заданным режимом картографирования и принципом сортировки область взаимодействия ДНА с поверхностью разбивалась на последовательность групп одновременно облучаемых фацетов.7. In accordance with the specified mapping mode and the principle of sorting, the area of interaction between the DND and the surface was divided into a sequence of groups of simultaneously irradiated facets.
8. Для каждой группы, с учетом задержек парциальных сигналов фацетов, их доплеровских смещений частоты, затуханий, производился расчет комплексных коэффициентов рассеивания фацетов, находилась их векторная сумма и вычислялось обратное преобразования Фурье от полученных сумм.8. For each group, taking into account delays of the partial signals of the facets, their Doppler frequency shifts, attenuations, the complex dissipation coefficients of the facets were calculated, their vector sum was found, and the inverse Fourier transform of the sums obtained was calculated.
9. Для всей области взаимодействия ДНА с подстилающей поверхностью производилась свертка зондирующего сигнала с последовательностью отсчетов импульсных характеристик групп одновременно облучаемых фацетов.9. For the entire area of interaction between the DND and the underlying surface, a convolution of the probing signal was performed with a sequence of readings of the impulse characteristics of the groups of simultaneously irradiated facets.
Реализация способа формирования радиолокационного сигнала в режиме реального времени основана на сопровождении антенной БРЛС центральной точки области сканирования [13]. Вследствие этого изменение импульсной характеристики поверхности рассеивания за время движения БРЛС 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 фацетов. Таким образом, при формировании отсчетов отраженного сигнала для каждого последующего зондирующего импульса происходило выполнение пунктов 8-9, пока антенна БРЛС не переключалась в следующую угловую позицию, после чего появлялась необходимость в выполнении пунктов 4-9.The implementation of the method of generating a radar signal in real time is based on tracking the radar antenna of the central point of the scanning area [13]. As a result of this, the change in the impulse response of the scattering surface during the radar motion during the accumulation of the reflected signal at one angular position consists in changing the average propagation delay due to the average path length from the antenna to the group of simultaneously irradiated facets and vice versa and Doppler frequency shifts of the facets. Thus, when forming samples of the reflected signal for each subsequent probe pulse, items 8–9 were fulfilled until the radar antenna switched to the next angular position, after which it became necessary to perform items 4–9.
С использованием полученного в результате моделирования массива отсчетов сигнала вторичного излучения было построено радиолокационное изображение используемого фрагмента земной поверхности с низким и высоким разрешением (фиг.7 и фиг.8 соответственно).Using the resulting simulation of the array of samples of the secondary radiation signal, a radar image of the used fragment of the earth's surface with low and high resolution was constructed (Fig. 7 and Fig. 8, respectively).
На представленных изображениях видны соответствующая реальной структура рельефа земной поверхности (фиг.7 и фиг.8) и границы областей с различными электрофизическими параметрами (фиг.8).On the presented images, the corresponding real structure of the earth's surface relief (Fig. 7 and Fig. 8) and the boundaries of regions with different electrophysical parameters (Fig. 8) are visible.
Для оценки адекватности предложенного способа были проведены сравнительные исследования радиолокационного изображения, полученного при помощи натурных испытаний (см. фиг.9 - картографирование района оз. Баскунчак), и радиолокационного изображения, синтезированного при помощи предложенного способа в режиме низкого разрешения (фиг.10). При этом в качестве исходных данных по поверхности использован слой рельефа с наложением водного покрова (растительность, засоленность почвы и другие диэлектрические особенности поверхности этого района при моделировании не учитывались).To assess the adequacy of the proposed method, comparative studies of the radar image obtained using field tests (see Fig. 9 - mapping of the region of Lake Baskunchak) and the radar image synthesized using the proposed method in low resolution mode (Fig. 10) were carried out. In this case, a relief layer with an overlay of water cover was used as initial data on the surface (vegetation, soil salinity, and other dielectric features of the surface of this region were not taken into account during modeling).
Более резкие очертания озера на фиг.9 объясняются наличием солевых отложений вдоль береговой линии. Различия в градации цвета, определяющего прибрежный рельеф (отмеченные на фиг.9 и фиг.10 низменности), можно объяснить присутствием на фиг.9 растительности и, следовательно, более резко выраженными перепадами, вызванными не просто рельефом поверхности (фиг.10), но и различными диэлектрическими свойствами.The sharper outlines of the lake in Fig. 9 are explained by the presence of salt deposits along the coastline. The differences in the gradation of the color that defines the coastal topography (lowlands marked in Fig. 9 and Fig. 10) can be explained by the presence of vegetation in Fig. 9 and, therefore, more pronounced differences caused by not just the surface topography (Fig. 10), but and various dielectric properties.
Приведенное описание способа формирования радиосигнала, отраженного от пространственно распределенной динамической радиофизической сцены, в реальном времени, по мнению авторов предлагаемого изобретения, показывает, что предлагаемый способ позволяет существенно 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 радиолокации (режим воздух-поверхность) и радиосвязи в многолучевых задачах (режимы самолет-самолет, земля-самолет, город).The description of the method for generating a radio signal reflected from a spatially distributed dynamic radiophysical scene in real time, according to the authors of the present invention, shows that the proposed method can significantly expand the technical capabilities of the known virtual reality technologies by physical synthesis of the reflected radio signal. A significant advantage of the proposed method is a unified approach to the implementation of the synthesis of the reflected radio signal for the areas of radar (air-to-surface mode) and radio communications in multipath tasks (airplane-to-ground, ground-to-plane, city).
Источники информацииInformation sources
1. Имитатор радиолокационных сигналов // Патент РФ № 42327, МПК G01S 13/00, 2004.07.19.1. A simulator of radar signals // RF Patent No. 42327, IPC G01S 13/00, 2004.07.19.
2. Имитатор радиолокационной обстановки // Патент РФ № 52196, МПК G01S 7/40 (2006.01), 2005.09.29.2. A simulator of the radar situation // RF Patent No. 52196, IPC G01S 7/40 (2006.01), 2005.09.29.
3. Имитатор бортовой навигационной радиолокационной станции // Патент РФ № 580534, МПК G01S 9/04, 1963.03.07.3. A simulator of an airborne navigation radar station // RF Patent No. 580534, IPC G01S 9/04, 1963.03.07.
4. Устройство для имитации отраженных радиолокационных сигналов // Патент РФ № 1723543, МПК G01S 7/40, 1990.02.08.4. A device for simulating reflected radar signals // RF Patent No. 1723543, IPC G01S 7/40, 1990.02.08.
5. Имитатор радиолокационных сигналов // Патент РФ № 2066459, МПК G01S 7/40, 1982.06.28.5. A simulator of radar signals // RF Patent No. 2066459, IPC G01S 7/40, 1982.06.28.
6. Имитатор сигналов радиолокационной станции // Патент РФ № 529437, МПК G01S 7/40, 1975.06.16.6. A simulator of signals from a radar station // RF Patent No. 529437, IPC G01S 7/40, 1975.06.16.
7. Устройство имитации радиолокационных сигналов, отраженных от земной поверхности // Патент РФ № 474508, МПК G01S 7/40, 1973.06.04.7. A device for simulating radar signals reflected from the earth's surface // RF Patent No. 474508, IPC G01S 7/40, 1973.06.04.
8. Имитатор источников радиосигналов // Патент РФ № 2094815, МПК G01S 7/40, 1994.10.08.8. A simulator of radio signal sources // RF Patent No. 2094815, IPC G01S 7/40, 1994.10.08.
9. Имитатор визуальной обстановки авиационного тренажера // Патент РФ № 50032, МПК G09B 9/08, 2004.02.20.9. The simulator of the visual environment of the flight simulator // RF Patent No. 50032, IPC G09B 9/08, 2004.02.20.
10. Способ генерирования текстуры в реальном масштабе времени и устройство для его реализации // Патент РФ № 2295772, МПК G06T 11/60 (2006.01), 2005.09.26.10. A method of generating texture in real time and a device for its implementation // RF Patent No. 2295772, IPC G06T 11/60 (2006.01), 2005.09.26.
11. Radar simulation for use with a visual simulator // Patent US N 5192208, G09B 9/00, 1993.03.09.11. Radar simulation for use with a visual simulator // Patent US N 5192208, G09B 9/00, 1993.03.09.
12. Ю.В.Киселева, A.H.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.12. Yu.V. Kiseleva, A.H. Krenev. The study of reflections from the earth's surface by mathematical modeling. Collection of reports of the VII International Scientific and Technical Conference "Radar Navigation Communications". Volume 3, Voronezh, April 24-26, 2001
13. 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.14-18.13. Yu.V. Kiseleva, AN Krenev, Analysis of the influence of the movement of the carrier of the LRS on the quality of the formation of the frame of the radio image in the mapping mode. Bulletin of the Yaroslavl Anti-Aircraft Missile Institute of Air Defense: A Collection of Scientific Papers / JAZRI Air Defense, Yaroslavl, 2002, Issue 3, pp. 14-18.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008122328/09A RU2386143C2 (en) | 2008-06-02 | 2008-06-02 | Method of simulating radio signal reflected from spatially distributed dynamic radiophysical scene in real time |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008122328/09A RU2386143C2 (en) | 2008-06-02 | 2008-06-02 | Method of simulating radio signal reflected from spatially distributed dynamic radiophysical scene in real time |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008122328A RU2008122328A (en) | 2009-12-10 |
| RU2386143C2 true RU2386143C2 (en) | 2010-04-10 |
Family
ID=41489117
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008122328/09A RU2386143C2 (en) | 2008-06-02 | 2008-06-02 | Method of simulating radio signal reflected from spatially distributed dynamic radiophysical scene in real time |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2386143C2 (en) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103675770A (en) * | 2012-09-24 | 2014-03-26 | 中国航天科工集团第二研究院二〇七所 | RCS-based uncertainty model verification method |
| RU2522502C1 (en) * | 2012-12-10 | 2014-07-20 | Открытое Акционерно Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" | Synthetic aperture radar signal simulator |
| RU2530544C1 (en) * | 2013-07-31 | 2014-10-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Method for simulation of signal reflected from ground surface in real beam mapping mode |
| RU2549884C1 (en) * | 2014-01-31 | 2015-05-10 | Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" | Radar scene signal simulator |
| RU2570600C1 (en) * | 2014-07-22 | 2015-12-10 | Открытое акционерное общество "Омский научно-исследовательский институт приборостроения" (ОАО "ОНИИП") | Method for simulation when designing antennae |
| RU2621329C1 (en) * | 2016-06-02 | 2017-06-02 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Method of radio signal imitation |
| RU189289U1 (en) * | 2019-02-05 | 2019-05-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС") | DIGITAL IMITATOR OF RADAR SIGNALS FROM THE UNDERSTANDING SURFACE TO DEVELOP THE SYNTHESIZED APERTURE MODE |
| RU2747883C1 (en) * | 2020-11-02 | 2021-05-17 | Виктор Андреевич Кузнецов | Method for simulating radio signal |
| RU2804902C1 (en) * | 2023-02-03 | 2023-10-09 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method for radio signal simulation |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102495401B (en) * | 2011-11-28 | 2013-06-19 | 河南财经政法大学 | Simulation method of echo of dynamic scene of radio detector |
| CN111257881A (en) * | 2020-03-02 | 2020-06-09 | 上海神添实业有限公司 | Dynamic road intersection scene target vehicle scattering modeling method |
| CN111965619B (en) * | 2020-08-25 | 2024-03-08 | 西安电子科技大学 | Complex target time domain scattering signal simulation method based on ray tracing |
-
2008
- 2008-06-02 RU RU2008122328/09A patent/RU2386143C2/en active IP Right Revival
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103675770A (en) * | 2012-09-24 | 2014-03-26 | 中国航天科工集团第二研究院二〇七所 | RCS-based uncertainty model verification method |
| CN103675770B (en) * | 2012-09-24 | 2016-03-02 | 中国航天科工集团第二研究院二O七所 | A kind of model verification method based on RCS uncertainty |
| RU2522502C1 (en) * | 2012-12-10 | 2014-07-20 | Открытое Акционерно Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" | Synthetic aperture radar signal simulator |
| RU2530544C1 (en) * | 2013-07-31 | 2014-10-10 | Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт приборостроения имени В.В. Тихомирова" | Method for simulation of signal reflected from ground surface in real beam mapping mode |
| RU2549884C1 (en) * | 2014-01-31 | 2015-05-10 | Открытое Акционерное Общество "Уральское проектно-конструкторское бюро "Деталь" | Radar scene signal simulator |
| RU2570600C1 (en) * | 2014-07-22 | 2015-12-10 | Открытое акционерное общество "Омский научно-исследовательский институт приборостроения" (ОАО "ОНИИП") | Method for simulation when designing antennae |
| RU2621329C1 (en) * | 2016-06-02 | 2017-06-02 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | Method of radio signal imitation |
| RU189289U1 (en) * | 2019-02-05 | 2019-05-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научно-исследовательский институт авиационных систем" (ФГУП "ГосНИИАС") | DIGITAL IMITATOR OF RADAR SIGNALS FROM THE UNDERSTANDING SURFACE TO DEVELOP THE SYNTHESIZED APERTURE MODE |
| RU2747883C1 (en) * | 2020-11-02 | 2021-05-17 | Виктор Андреевич Кузнецов | Method for simulating radio signal |
| RU2804902C1 (en) * | 2023-02-03 | 2023-10-09 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method for radio signal simulation |
| RU2826626C1 (en) * | 2023-05-31 | 2024-09-16 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" | Method and device for simulating radio signal reflected from aerial target with turbojet engine, in conditions of passive and active interference |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008122328A (en) | 2009-12-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2386143C2 (en) | Method of simulating radio signal reflected from spatially distributed dynamic radiophysical scene in real time | |
| Xu et al. | Imaging simulation of polarimetric SAR for a comprehensive terrain scene using the mapping and projection algorithm | |
| CN103439693B (en) | A kind of linear array SAR sparse reconstructs picture and phase error correction approach | |
| CN106501802B (en) | High-resolution multidimensional synergistic insect is migrated Radar Measurement Instrument | |
| CN103983972B (en) | The sparse formation method of a kind of Fast Compression sensing D S AR | |
| CN112098958B (en) | Radar clutter prediction method based on digital map and meteorological hydrological information | |
| CN109061582A (en) | Airborne PD Radar high-fidelity based on DEM and DLCD anisotropically Clutter simulation method | |
| CN107271977A (en) | High-precision SAR echo simulation methods based on mobile driving source FDTD algorithms | |
| Young et al. | Resolving the internal and basal geometry of ice masses using imaging phase-sensitive radar | |
| Kusk et al. | Synthetic SAR image generation using sensor, terrain and target models | |
| Hammer et al. | Coherent simulation of SAR images | |
| Zherdev et al. | Object recognition using real and modelled SAR images | |
| RU2621329C1 (en) | Method of radio signal imitation | |
| Dai et al. | Scattering simulation and reconstruction of a 3-D complex target using downward-looking step-frequency radar | |
| Nasr et al. | Image simulation of geometric targets for spaceborne synthetic aperture radar | |
| RU2747883C1 (en) | Method for simulating radio signal | |
| Hongtu et al. | Efficient raw signal generation based on equivalent scatterer and subaperture processing for SAR with arbitrary motion | |
| RU2804902C1 (en) | Method for radio signal simulation | |
| Phaebua et al. | The B-scan image simulation method of a ground-penetrating radar mounted on a drone using a high-frequency technique | |
| Daniel et al. | Target observability improvement in multi-static maritime forward scatter radar | |
| Mokadem | Analysis of scattering by urban areas in the frame of NLOS target detection in SAR images | |
| Aftanas | Through wall imaging using M-sequence UWB radar system | |
| Borzov et al. | Mathematical simulation of input signals of onboard synthetic aperture radars from complex targets and clutters | |
| Wei et al. | Optimal Parameter Estimation of BSDF in SAR Simulation Based on Differential Ray Tracing | |
| Geng et al. | SAR RAW data simulation by electromagnetic computation in frequency domain |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20110610 |
|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20120413 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170603 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20180516 |