К.П. Лихоеденко1, Г.М. Серегин2, В.Б. Сучков3

1–3 МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, Россия)

1 klikhoedenko@bmstu.ru, 2 seregin@bmstu.ru, 3 vbs-2014@bmstu.ru

Постановка проблемы. В настоящее время при проектировании и разработке бортовых радиолокаторов, таких как автомобильные радиолокаторы в системах помощи водителю, бортовые спутниковые радиолокаторы контроля окружающего пространства для обеспечения безопасности космических аппаратов, актуальным направлением является использование принципов сверхширокополосной (СШП) и сверхкороткоимпульсной (СКИ) радиолокации. СКИ радиолокаторы характеризуются возможностью селекции целей по дальности с высоким пространственным разрешением, высокой помехоустойчивостью и помехозащищённостью, энергетической скрытностью, отсутствием слепых углов в диаграмме отражения от целей, возможностью функционирования в сложных метеоусловиях, малыми габаритами и стоимостью. Для выработки технических требований к приемо-передающим модулям и СШП антеннам радиолокаторов на ранних этапах проектирования необходимо наличие данных о фоноцелевой обстановке, в том числе о рассеивающих свойствах объектов локации при их зондировании СКИ сигналами. В связи с этим возникает необходимость создания верифицированных математических моделей, формализующих процесс взаимодействия СКИ радиолокационной системы и объекта локации, учитывающей особенности дифракции и рассеяния электромагнитных волн в широкой полосе частот.

Цель. Разработать методику математического моделирования характеристик рассеяния СКИ радиосигналов на объектах сложной геометрической формы с учетом формы огибающей СКИ радиосигнала и особенностей излучения СШП антенны.

Результаты. Представлен методический подход к определению СКИ эффективной площади рассеяния (ЭПР) объектов сложной формы при их локации негармоническими сигналами. Разработана математическая модель характеристик рассеяния объектов локации при их зондировании СКИ сигналами с учетом формы огибающей сигнала, генерируемого передатчиком однокристального микрочипа NVA 6100 длительностью 300 пс. Получены расчетные соотношения для определения напряженности электрического поля рассеяния объекта локации в частотной области на основе использования полигональной модели объекта и асимптотических методов теории дифракции. Показано, что в математической модели характеристик рассеяния объектов учтены частотные свойства СШП антенны на основе частотной характеристики на излучение, полученной численным моделированием. Проведена верификация разработанной математической модели на основе определения СКИ ЭПР идеально проводящей сферы. Получена диаграмма СКИ ЭПР спутника GPS с учетом излучения СКИ сигнала антенной Вивальди.

Практическая значимость. Математическая модель характеристик рассеяния объектов локации при их зондировании СКИ сигналами является эффективным инструментом разработчика СШП радиолокаторов на раннем этапе их проектирования. Полученные оценки СКИ ЭПР спутника GPS позволяют выявить основные закономерности при рассеянии СКИ сигналов при локации протяженных целей.

Лихоеденко К.П., Серегин Г.М., Сучков В.Б. Математическое моделирование характеристик рассеяния сверхкороткоимпульсных сигналов на объектах сложной формы // Электромагнитные волны и электронные системы. 2024. Т. 29. № 3. С. 59−80. DOI: https://doi.org/ 10.18127/ j15604128-202403-07

1. Чапурский В.В. Избранные задачи теории сверхширокополосных радиолокационных систем. М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2017. 279 с.
2. Иммореев И.Я. Сверхширокополосные радары. Особенности и возможности // Радиотехника и электроника. 2009. Т. 54. № 1. С. 5–31.
3. Шепета А.П., Махлин А.М., Львовский С.А. Особенности применения сверхширокополосных сигналов в современных РЛС // I-methods. 2016. Т. 8. № 3. С. 18–23.
4. Gresham I., Jenkins A., Egri R., Eswarappa C., Kinayman N., Jain N., Anderson R., Kolak F., Bawell S.P., Bennett J., Lanteri J.-P. Ultra-wideband radar sensors for short-range vehicular applications // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2004. V. 52. № 9. P. 2105–2122. DOI 10.1109/TMTT.2004.834185.
5. Анцев Г.В., Сарычев В.А. Сверхширокополосные сигналы в автомобильной радиоэлектронике // Материалы XXXIII конф. памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н.Н. Острякова. СПб.: Концерн «Центральный научно-исследовательский институт «Электроприбор». 2022. С. 129–130.
6. Iwakiri N., Hashimoto N., Kobayashi T. Performance Analysis of Ultra-Wideband Channel for Short-Range Monopulse Radar at Ka-Band // Journal of Electrical and Computer Engineering. 2012. V. 2012. P. 9. DOI 10.1155/2012/710752.
7. Ермолаев М.В., Марарескул Д.И., Алешечкин А.М. Радиолокационная система контроля окружающего пространства космического аппарата // Решетневские чтения. 2012. Т. 1. С. 146–147.
8. Борзов А.Б., Лихоеденко К.П., Серегин Г.М., Сучков В.Б. Развитие технологий сверхкороткоимпульсной ближней радиолокации на основе однокристальных решений // Успехи современной радиоэлектроники. 2016. № 7. С. 72–80.
9. Иммореев И.Я. Эффективная поверхность рассеяния цели при ее облучении сверхширокополосным сигналом // Успехи современной радиоэлектроники. 2009. № 1-2. С. 95.
10. Злобин С.Л., Осипов М.Л., Скосырев В.Н. Оценка эффективной поверхности рассеяния шара и эллипсоида вращения при сверхкороткоимпульсной радиолокации // Радиотехника. 1999. № 12. С. 3–9.
11. Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. М.: Радио и связь. 1989. 190 c.
12. Taylor J.D. Ultra-wideband radar technology. Boca Raton: CRC Press. 2001. 424 p.
13. Зиганшин Э.Г. Методы обнаружения сверхширокополосных сигналов. [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://mas­ters.donntu.ru/2011/frt/funtikov/library/article1.pdf, дата обращения 12.12.2023.
14. Sabath F., Mokole E.L. Ultra-Wideband, Short-Pulse Electromagnetics. New York: Springer. 2014. 496 p.
15. Nguyen C., Han J. Time-Domain Ultra-Wideband Radar, Sensor and Components. New York: Springer. 2014. 133 p.
16. Зайцев А.В., Зиганшин Э.Г. Расчет эффективной площади рассеяния плоской металлической пластины при облучении ее коротким сверхширокополосным радиоимпульсом // Сб. докл. Всеросс. науч. конф. «Сверхширокополоспые сигналы в радиолокации, связи и акустике». Муром. 2003. С. 56–61.
17. Li L., Tan A.E.-C., Jhamb K., Rambabu K. Characteristics of Ultra-Wideband Pulse Scattered From Metal Planar Objects // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 2013. V. 61. № 6. P. 3197–3206. DOI 10.1109/TAP.2013.2247371.
18. Лабунец Л.В., Анищенко Н.Н., Яруллин А.Р. Математическое моделирование переходных характеристик 3D-объектов в радиолокационной системе ближнего действия // Радиотехника и электроника. 2006. Т. 51. № 3. С. 279–302.
19. Kobayashi T., Takahashi N., Yoshikawa M., Tsunoda K., Tenno N. Measurement of automobile UWB radar cross sections at Ka-band // Ultra-Wideband, Short-Pulse Electromagnetics 7. 2007. P. 586–592. DOI 10.1007/978-0-387-37731-5_63.
20. Борзов А.Б., Соколов А.В., Сучков В.Б. Цифровое моделирование входных сигналов систем ближней радиолокации от сложных радиолокационных сцен // Успехи современной радиоэлектроники. 2004. № 9-10. С. 38–61.
21. Borzov A.B., Suchkov V.B., Shakhtarin B.I., Sidorkina Y.A. Mathematical modeling and simulation of the input signals of short-range radar systems // Journal of Communications Technology and Electronics. 2014. V. 59. № 12. P. 1356–1368. DOI 10.1134/S106422691412002X.
22. Dahl O., Hjortland H.A., Lande T.S., Wisland D.T. Close range impulse radio beamformers // IEEE International Conference. Vancouver 2009. P. 205–209.
23. Борзов А.Б., Лихоеденко К.П., Серегин Г.М., Сучков В.Б. Методика численного моделирования частотных характеристик сверхширокополосных антенн // Антенны. 2016. № 7(227). С. 4–9.
24. Уфимцев П.Я. Основы физической теории дифракции. М.: Бином. 2009. 352 с.