close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

...характеристик объектов в диапазоне длин волн

код для вставкиСкачать
3П
УДК 621.396.6
А.П. Преображенский
Воронежский институт высоких технологий, г. Воронеж, Россия, [email protected]
Прогнозирование радиолокационных
характеристик объектов в диапазоне
длин волн c использованием методов
искусственного интеллекта
Рассмотрена модель прогнозирования радиолокационных характеристик (РЛХ) объектов в
диапазоне длин волн на основе экспериментально полученных исходных данных о рассеивающих
свойствах объектов. Для случая Е-поляризации падающей плоской электромагнитной волны на
основе метода интегральных уравнений численно рассчитаны угловые зависимости эффективной
поверхности (ЭПР) двумерных цилиндров и на основе генетического алгоритма проведено
прогнозирование ЭПР этих объектов в диапазоне длин волн.
Одной из важных задач снижения заметности объектов техники, а также
обеспечения электромагнитной совместимости является экспериментальное
исследование радиолокационных характеристик (РЛХ) объектов в диапазоне длин
волн. Для решения этой задачи наряду с разработкой широкодиапазонных
измерительных средств, использующих сверхширокополосные сигналы, созданы и
создаются новые измерительные средства, многоканальные по частоте и с
перестройкой рабочей частоты, обладающие рядом достоинств [1]. Однако на
практике всегда существуют ограничения на количество реализуемых в
измерительных средствах частотных каналов и количество выбранных значений
рабочих частот, на которых проводится измерение РЛХ объектов. Поэтому
актуальна задача прогнозирования РЛХ объектов в диапазоне длин волн [1, 2] по
результатам экспериментальных исследований рассеивающих свойств этих
объектов на одной длине волны 0, принадлежащей интервалу [1, 2]. В
известных работах рассматривались составные части [2], [3] и частные случаи
решения этой задачи [4]. Например, в [4] исследовалось прогнозирование РЛХ
объектов с использованием данных о характеристиках рассеяния объектов с одним
характерным размером. Представляет интерес исследование возможности
прогнозирования РЛХ объектов для случая, когда используются данные о
рассеивающих свойствах объекта, известных для нескольких значений размеров
объекта.
Целью работы является разработка модели прогнозирования РЛХ объектов в
диапазоне длин волн на основе экспериментально полученных исходных данных о
рассеивающих свойствах этих объектов, имеющих различные размеры, в поле
монохроматической волны.
Ограничимся случаем линейного процесса рассеяния электромагнитных
волн. Также будем считать, что исследуемая РЛХ отражения объекта линейно
связывает параметры облучающего и рассеянного полей [1], [2].
426
«Искусственный интеллект» 4’2004
Прогнозирование радиолокационных характеристик объектов…
3П
Запишем соотношение, связывающее линейно комплексные амплитуды
напряженностей рассеянного Es(r) и облучающего Ei(r) на поверхности объекта C
вида [1], [2]:
E S (, r)   G ( 0 , r, r1 )E i (, r1 )dr1 ,
(1)
C
где , 0[1, 2], G(0, r, r1) – пространственная импульсная переходная функция
объекта (РЛХ) на длине волны 0, которая в соответствии с принятыми
допущениями предполагается неизменной в диапазоне длин волн [1, 2].
Если РЛХ объекта G(0, r, r1) известна, то соотношение (1) позволяет по
заданному на поверхности облучающему полю Ei(,r) рассчитывать рассеянное
поле ES(,r) на поверхности объекта и далее с использованием известных
методов [3] рассчитывать распределение рассеянного объектом поля в
пространстве в диапазоне длин волн [1, 2]. Поскольку теоретически рассчитать
G(0, r, r1) для реальных объектов сложной формы и неоднородных
радиофизических свойств не представляется возможным, следует применять для
ее определения экспериментальные методы [5]. В этом случае соотношение (1), по
существу, описывает модель, которая на основе экспериментально полученных
исходных данных о РЛХ объекта G(0, r, r1) на длине волны 0 обеспечивает
приближенное прогнозирование распределения рассеянного объектом поля в
диапазоне длин волн.
В качестве одной из моделей РЛХ G(0, r, r1) можно рассматривать
следующую [4]:
G(0, r, r1)= G(0, r)(r-r1).
(2)
При проверке модели для прогноза РЛХ был выбран диапазон длин волн [1,
2] относительно некоторой «опорной» длины волны 0, на которой
рассчитывается функция G в виде (2), где считалось, что 1=0, 2=Km0, где
значение Km определялось в задаче таким образом, чтобы была возможность
прогнозирования РЛХ на всем интервале длин волн [1, 2]. Для выбранных
значений i[1, 2] были рассчитаны диаграммы рассеяния для условий
наблюдения в дальней зоне. Аналогичные характеристики были спрогнозированы
с использованием вышеизложенной модели и выбранного представления
переходной функции. Разница между рассчитанной и прогнозируемой
характеристикой не должна была превышать 3 дБ. Прогнозирование проводилось
для углов наблюдения [0, 90].
С целью проверки работоспособности вышеизложенной модели рассмотрим
задачу прогнозирования эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) круглого
идеально проводящего двумерного цилиндра радиуса R (рис. 1). Расчет точных
значений характеристик рассеяния для двумерного цилиндра был проведен путем
решения интегрального уравнения второго рода, записанного относительно
плотности поверхностного тока [6, с. 165] для случая E-поляризации падающей
электромагнитной волны.
Коэффициент Km определялся нами на основе генетического алгоритма [7].
Размер популяции был 4. В качестве кода использовалось двоичное представление
аргументов функции (то есть Km). Процесс мутации заключался в инверсии
одного из битов строки.
На рис. 2 представлены результаты расчета коэффициента Km в зависимости от
радиуса R идеально проводящего двумерного цилиндра (расчет на основе подхода (1) –
(2)) при прогнозировании бистатической ЭПР. Видно, что Km растет пропорционально
с ростом радиуса R, то есть, чем больше радиус цилиндра, тем шире диапазон длин
волн, в котором возможно прогнозирование его радиолокационных характеристик.
«Штучний інтелект» 4’2004
427
Преображенский А.П.
3П
Проверка работоспособности модели проводилась также для рассеивателя в
виде двух цилиндров с радиусами R1 и R2, центры которых находятся на
расстоянии d> R1+ R2 (рис. 3).
Y

X
2R
Рисунок1 – Схема рассеяния электромагнитных волн на цилиндре с радиусом R
Km
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
1
2
3
4
5
R/ 
Рисунок – 2 Результаты прогнозирования коэффициента Km в зависимости от
радиуса цилиндра R
Y
Y


X
X
2R
2R
d
Рисунок 3 – Схема рассеяния электромагнитных волн на двух цилиндрах с
радиусами R1 и R2, находящихся на расстоянии d
428
«Искусственный интеллект» 4’2004
Прогнозирование радиолокационных характеристик объектов…
3П
Анализ результатов прогнозирования для цилиндров с размерами R1/5,
R2/5 для расстояния d<100 показал, что значения прогнозируемого
коэффициента Km лежат в интервале 1.43%, то есть очень слабо зависят от
размеров цилиндров и расстояния между ними. Максимальное отклонение от 1,4
наблюдалось при равных значениях радиусов цилиндров R1=R2.
Выше мы имели представление G в виде -функции для объекта с
характерным размером L. Представляет интерес рассмотреть представление
функции G, которая известна на определенном интервале G[G-G, G+G]. Будем
считать, что известно значение функции G для трех значений размеров объекта: L,
L – L, L+L, где L=L, где [0;1]. Функция G, согласно определению,
вычисляется следующим образом:G=GL= Eрас/Eпад, где Eрас – рассеянное поле,
Eпад – падающее поле. Будем вычислять функцию G с учетом того, что известно ее
значение для нескольких значений размера L объекта таким образом:
G= G  1  E пад ,
(3)
L
Kp
E
0
пад
где E пад – падающая волна на длине волны , E пад0 – падающая волна на длине
волны 0, GL вычисляется на длине волны 0, Kp – коэффициент. Коэффициент Kp
подбирается нами для достижения лучших результатов прогнозирования. Для
размера объекта L коэффициент Kp выбирается равным 1.
Рассеянное поле вычисляется как среднее арифметическое рассеянных
3
полей, вычисленных для объекта с размерами L – L, L, L+L: Eрас= 1  E i , где
рас
3
i 1
– для объекта с размером L – L, E 2рас = G  E пад – для объекта с
пад
размером L, E 3рас = G  E пад – для объекта с размером L+L. Это поле
используется для прогнозирования характеристик рассеяния объекта с размером L.
На рис. 4 приведены результаты расчета Km в зависимости от коэффициента
Kp для различных радиусов R цилиндра (кривые 1, 2, 3, 4 – R=10, R=20, R=30,
R=40 соответственно), полученные на основе подхода (1) – (3) при
прогнозировании бистатической ЭПР. Коэффициент  принимал значения
[0;1]. Из рис. 3 видно, что с увеличением радиуса цилиндра R ширина
диапазона длин волн, для которого возможно прогнозирование, увеличивается.
Однако ширина этого диапазона гораздо больше по сравнению с результатами,
полученными на основании подхода (1) – (2).
E 1рас = G  E
Km
80
75
70
65
60
55
50
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
1
2
3
4
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Kp
Рисунок 4 – Результаты расчета Km в зависимости от коэффициента Kp для
различных радиусов цилиндра
«Штучний інтелект» 4’2004
429
Преображенский А.П.
3П
Таким образом, в результате математического моделирования на основе
разработанной модели показана и исследована возможность прогнозирования РЛХ
идеально проводящих изотропных и неизотропных объектов в диапазоне длин
волн для различных размеров объектов.
Литература
1. Радиолокационные характеристики летательных аппаратов / Под ред. Л.Т. Тучкова. – М.: Радио
и связь, 1985. – 235 с.
2. Астанин Л.Ю., Костылев А.А. Основы сверхширокополосных радиолокационных измерений. –
М.: Радио и связь, 1989. – 190 с.
3. Зверев В.А. Радиооптика. – М.: Советское радио, 1975. – 304 с.
4. Преображенский А.П. Прогнозирование радиолокационных характеристик объектов с
радиопоглощающими покрытиями в диапазоне длин волн // Телекоммуникации. – 2003. –
№ 4. – С. 21.
5. Добрынин Д.Л., Кирьянов О.Е., Мартынов Н.А., Понькин В.А. Матричный метод измерения
радиолокационных характеристик рассеяния объектов // Труды X Международной
конференции по спиновой электронике и гировекторной электродинамике. – Москва: МЭИ. –
2001. – С. 201.
6. Инспекторов Э.М. Численный анализ электромагнитного возбуждения проводящих тел. – Мн.:
Университетское, 1987.
7. Назаров А.В., Лоскутов А.И. Нейросетевые алгоритмы прогнозирования и оптимизации
систем. – СПб.: Наука и техника, 2003. – 384 с.
А.П. Преображенський
Прогнозування радіолокаційних характеристик об’єктів у діапазоні довжин хвиль з
використанням методів штучного інтелекту
Розглянута модель прогнозування радіолокаційних (РЛХ) характеристик об’єктів у діапазоні
довжин хвиль на основі експериментального отримання вихідних даних про розсіюючи якості
об’єктів. Для випадку Е-поляризації падаючої плоскості електромагнітної хвилі на основі методу
інтегральних рівнянь розраховані кутові залежності ефективної поверхні двовимірних циліндрів і
на основі генетичного алгоритму проведено прогнозування ЕПР цих об’єктів у діапазоні довжин
хвиль.
The prediction of radar characteristics for objects in the range of wavelengths on the basis of
artificial intelligence
The model of prediction of radar characteristics for objects in the range of wavelengths on the basis of
experimental data of scattering features of object was considered. For the case of E-polarizaton of incident
electromagnetic wave on the basis of integral equation method the angle dependencies of radar cross
section (RCS) for 2-D cylinders were calculated and on the basis of genetic algorithm the prediction of
RCS of these objects in the range of wavelengths was carried out.
Статья поступила в редакцию 16.07.2004.
430
«Искусственный интеллект» 4’2004
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа