Радиолокационные методы распознавания объектов и сред

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное 

учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

Н. Н. КИСЕЛЬ

РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ РАСПОЗНАВАНИЯ 

ОБЪЕКТОВ И СРЕД

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2018

УДК 621.396.96(075.2)
ББК 32.95я73

К443

Печатается по решению кафедры антенн и радиопередающих 

устройств Института радиотехнических систем и управления Южного 

федерального университета (протокол №12 от 27.01.2017 г.)

Рецензенты:

доктор технических наук, заведующий кафедрой антенн и радиопередаю
щих устройств Института радиотехнических систем и управления 

Южного федерального университета Ю. В. Юханов

кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник научно
конструкторского бюро вычислительных систем С. Г. Грищенко

Кисель, Н. Н. 

К443 
Радиолокационные методы распознавания объектов и сред : 

учебное пособие / Н. Н. Кисель ; Южный федеральный университет.   Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2018. – 126 с.

ISBN 978-5-9275-2620-8
Учебное пособие посвящено вопросам радиолокационного 

распознавания объектов и сред, Рассмотрены вопросы распознавания объектов и сред с помощью узкополосных и широкополосных 
сигналов, радиоголография и вопросы визуализации изображений.

Предназначено для студентов, магистрантов, обучающихся по 

направлению 11.04.01 «Радиотехника».

УДК 621.396.96(075.2)

ББК 32.95я73

ISBN 978-5-9275-2620-8

© Южный федеральный университет, 2018
© Кисель Н. Н., 2018
© Оформление. Макет. Издательство

Южного федерального университета, 2018

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................... 6
1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ РАДИОЛОКАЦИОННОГО 
РАСПОЗНАВАНИЯ....................................................................................... 7
2. ВИДЫ ВТОРИЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ................................................. 11
2.1. Зеркальное отражение............................................................................. 14

2.2. Диффузное отражение........................................................................ 16
2.3. Критерий зеркальности – диффузности............................................ 18
2.4. Резонансное отражение ...................................................................... 20

3. КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОБЪЕКТОВ 
И ИХ КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ............................. 22

3.1. Радиолокационные характеристики целей ....................................... 22
3.2. Классификация целей по принципу формирования 
вторичного поля..........................................................................................26
3.3. Локальный характер отражений от объектов в сантиметровом
и дециметровом диапазонах волн............................................................. 27
3.4. Метод снижения ЭПР всего объекта путем  снижения ................... 28
интенсивности его локальных источников.............................................. 28
3.5. «Черные» тела как предельный случай  глубокой Stealthтехнологии.................................................................................................. 30
3.6. Идентификация и распознавание объектов по дифракционным 
изображениям............................................................................................. 32
3.7. Формирование поля рассеяния сложными телами .......................... 34
3.8. Комбинированная методика расчета................................................. 39
радиолокационных характеристик объектов........................................... 39
3.9. Измерение локальных характеристик рассеяния ............................. 40

4. ПАССИВНАЯ РАДИОЛОКАЦИЯ ....................................................... 44
5. МЕТОДЫ РАСПОЗНАВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ....................................
УЗКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ.............................................................. 45

5.1. Метод распознавания целей по флуктуациям ЭПР ......................... 45
5.2. Метод распознавания целей по модуляционным эффектам 
турбин ..........................................................................................................46
5.3. Метод распознавания целей по поляризационным    отличиям 
отраженных сигналов ................................................................................ 48

Оглавление

4

5.4. Метод распознавания целей по интенсивности  принимаемого 
сигнала.........................................................................................................50

6. МЕТОДЫ РАСПОЗНАВАНИЯ С ПОМОЩЬЮ 
ШИРОКОПОЛОСНЫХ И МНОГОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ.......53

6.1. Метод, использующий для распознавания импульсную .................53
характеристику цели при излучении импульса .......................................53
очень малой длительности.........................................................................53
6.2. Метод распознавания, использующий сжатие сигналов .................56
для построения гистограмм.......................................................................56
6.3. Метод, использующий для распознавания собственные    
резонансы целей без восстановления формы сигналов ..........................57
6.4. Метод, использующий для распознавания собственные   
резонансы целей при облучении их сигналами с несколькими 
частотами ....................................................................................................59
6.5. Метод распознавания по интенсивности  принимаемых 
сигналов от цели  на разных частотах ......................................................60

7. РАДИОГОЛОГРАФИЯ...........................................................................62

7.1. Принципы голографии и оптической обработки                
информации. Общие понятия....................................................................62
7.2. Схемы записи голограмм и восстановление изображения ..............65
7.3. Методы радиовидения ........................................................................67
7.4. Принципы синтезирования радиоголограмм с помощью антенн 
с линейными апертурами...........................................................................72
7.5. Принципы синтезирования радиоголограмм с помощью антенн 
с «точечными» апертурами .......................................................................73
7.6. Особенности формирования элементов радиоголограмм ...............78
7.7. Микроволновая голография ...............................................................83

8. МЕТОДЫ  МЕДИЦИНСКОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ .............................89

8.1. Компьютерная томография и ее применение ...................................91
8.2. Рентгеновская реконструкция............................................................92

8.2.1. Применение теоремы о центральном сечении ..........................92
8.2.2. Метод свертки и обратного проецирования ..............................95
8.2.3. Практическая реализация метода свертки и обратного 
проецирования........................................................................................98

Оглавление

8.3. Методики изучения структуры биологических тканей 
с помощью СВЧ-колебаний. Разработка алгоритмов           
моделирования ......................................................................................... 100

8.3.1. Биологическое воздействие СВЧ-излучения .......................... 100
8.3.2. Свойства биологических тканей в СВЧ-диапазоне ................ 103
8.3.3. Методики изучения структуры биологических тканей.......... 107
с помощью СВЧ-колебаний................................................................ 107
8.3.4. Электродинамические модели в СВЧ-диагностике 
и терапии .............................................................................................. 117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................................................................................... 122
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................................... 123

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важных задач  современной радиолокации является распо
знавание объектов, удаленных на большие расстояния. Развитие радиолокационного распознавания идет по трем направлениям: распознавание по 
узкополосному сигналу, по широкополосному сигналу и по многочастотному сигналу. Характерной чертой радиолокационного распознавания 
является увеличение информативности наблюдений, выполняемых с помощью РЛС. Улучшение разрешающей способности по частоте позволяет 
оценить такие параметры, как скорость движения цели, вращения, число 
винтов и двигателей самолета. Одновременное использование горизонтальной и вертикальной поляризаций для радиолокационного распознавания позволяет получить информацию о трехмерной структуре цели. 

Современный этап развития радиолокации характеризуется ростом 

информационных возможностей РЛС, информационный поток обрабатывается в реальном масштабе времени, интенсивность информационного 
потока современных бортовых РЛС составляет 500 Мбит/c [1]. Достоинство информационного подхода − относительная простота его применения, возможность сравнения различных радиолокационных подходов, 
высокое качество распознавания. Описан также один из способов решения задачи идентификации  радиовидение, позволяющий получить изображения объектов в результате обработки сигналов, отраженных от него, 
а также методы медицинской визуализации, такие как СВЧ-томография, 
рентгеновская томография. 

1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ РАДИОЛОКАЦИОННОГО 

РАСПОЗНАВАНИЯ

Под радиолокационным распознаванием понимают получение ра
диолокационных характеристик различных объектов, выбор информативных и устойчивых признаков и принятие решения о принадлежности этих 
объектов к тому или иному классу (типу). 

Для повышения информативности средств радиолокационного рас
познавания помимо таких параметров отраженных сигналов, как частота, 
амплитуда и фаза, используют также поляризацию. Одновременное применение горизонтальной и вертикальной поляризации для радиолокационного распознавания позволяет получить информацию об общей трехмерной структуре цели [1].

Результаты радиолокационного распознавания используются для 

решения следующих задач [2]:

‒ повышение эффективности управления воздушным движением в 

гражданской авиации;

‒ повышение безопасности судовождения на водном, наземном и воз
душном транспорте;

‒ распознавание подземных объектов, определение состояния и тол-

щины снежных и ледовых покровов и т. п.;

− разведка полезных природных ископаемых;
− прогноз погодных и метеорологических явлений, противоракетной, 

противовоздушной обороны, наземной и морской разведки, необходимой 
для вскрытия замыслов противостоящей стороны;

− определение боевого потенциала объектов, например, числа подве
шенных ракет;

− определение важности объектов и их приоритета при применении 

против них оружия.

Современный этап развития радиолокации характеризуется даль
нейшим ростом информационных возможностей РЛС, поэтому для качественной оценки их информационных возможностей целесообразно применять информационные меры.

В современных РЛС осуществляется обработка большого объема 

информации, в том числе и для решения задач радиолокационного распо

1. Классификация методов радиолокационного распознавания

8

знавания. Достоинствами
информационного подхода являются, во
первых, удобство и относительная простота его применения на практике, 
особенно при использовании в РЛС цифровых методов обработки и передачи информации (что позволяет упростить задание требований к быстродействию и объему памяти ЭВМ, а также к пропускной способности систем передачи данных); во-вторых, возможность сравнения различных 
систем радиолокационного распознавания. 

Методы классификации сигналов делят по типу зондирующего сиг
нала (узкополосные, многочастотные, широкополосные, сверхширокополосные сигналы), виду используемой радиолокационной информации (по 
величине ЭПР цели, по низкочастотным и высокочастотным спектрам 
сигнала, по поляризационным характеристикам, квазиголографический и 
голографический методы и т.д.) [3].

Информация о радиолокационных характеристиках объектов может 

быть получена методами как активной, так и пассивной радиолокации. 
При активной радиолокации определение радиолокационных характеристик объектов основано на отражении радиоволн от объектов или на вторичном излучении объектов [1].

К методам с активным ответом относятся следующие:
‒ методы, использующие систему определения государственной 

пpинадлежности;

‒ методы, использующие систему с активным ответом;
‒ методы, использующие комплексирование датчиков информации. 
Активные методы, реализуемые с помощью одно- и многопозицион
ных РЛС:

‒ методы импульсной, импульсно-доплеровской и квазинепрерывной 

радиолокации, использующие простые сигналы, сложные сигналы, многочастотные сигналы, сигналы пико- и наносекундной длительности, выбор оптимальных (резонансных) частот сигнала, сигналы, согласованные 
с формой цели,  несинусоидальные сигналы; 

‒ методы непрерывной радиолокации: методы частотной радиолока
ции; методы доплеровской радиолокации;

‒ методы, использующие голографию (РЛС с СА, голографические);
‒ методы, использующие нелинейные эффекты;
‒ методы, использующие компенсирование датчиков информации. 

1. Классификация методов радиолокационного распознавания 

9

При многочастотных сигналах для распознавания целей используют
ся следующие свойства сигналов и целей: 

‒
импульсная характеристика цели, а также ее передаточная функ
ция, полученная путем Фурье-преобразования импульсной характеристики;

‒
собственные резонансы цели (измеряют фазовые сдвиги, вноси
мые целью при ее облучении двумя когерентными гармоническими сигналами кратных частот); 

‒
поляризационные характеристики отраженных многочастотных 

сигналов; 

‒
флуктуации ЭПР (для оценки размеров цели);

‒
интенсивность принимаемых сигналов на разных частотах.

Методы распознавания целей с помощью широкополосных сигналов 

основаны на использовании: 

‒ импульсной характеристики цели, полученной излучением импуль
са малой длительности (десятки пикосекунд), или передаточной функции,
полученной в результате преобразования импульсной характеристики; 

‒ структуры сжатого сигнала, представляющего собой одномерное 

радиолокационное изображение цели; 

‒ одновременной информации о «турбинной» модуляции, структуре 

сжатого сигнала и флуктуациях ЭПР.

При пассивной радиолокации может использоваться естественное 

радиоизлучение целей (радиотеплолокация) либо радиоизлучение бортовых источников радиосигналов и помех (преднамеренных и непреднамеренных).

Пассивные методы делят:
‒ на методы, использующие данные различных  типов датчиков ин
формации;

‒ методы, использующие помехи излучения;
‒ методы, использующие электростатические, магнитные, акустиче
ские и другие поля;

‒ методы, использующие комплексирование датчиков информации.
В качестве информативных признаков при решении задач радиоло
кационного распознавания могут использоваться: 

1. Классификация методов радиолокационного распознавания

10

‒ структура огибающей и параметры флюктуации отраженного ра
диолокационного сигнала;

‒ тонкая структура отраженных радиолокационных сигналов на ра
диочастоте;

‒ траекторные параметры (скорость, высота, ускорение, маневр и 

т.п.), структура сжатого отраженного сигнала ("дальностный" портрет);

‒ структура отраженного сигнала в картинной плоскости;
‒ структура и параметры амплитудного и фазочастотного спектров 

отраженного сигнала, или спектрограмма;

‒ корреляционные и взаимно-корреляционные признаки отраженных 

сигналов;

‒ параметры поляризационной матрицы рассеяния отраженных ра
диолокационных сигналов, структура и параметры излучающих сигналов 
полей распознаваемых целей.

Радиолокационными характеристиками объектов при активной ра
диолокации являются: эффективная площадь рассеяния, спектральные и 
временные характеристики отраженных от цели сигналов, содержащие 
информацию о параметрах движения цели, ее форме, размерах, модуляции, вызванной вращением турбин, винтов, а также колебаниями различных частей летательных аппаратов (ЛА), поляризационные характеристики сигналов, отраженных от целей.

В основе радиолокационного распознавания лежат несколько эффек
тов:

− поверхностный эффект (или скин-эффект), позволяющий значи
тельно упростить моделирование объектов с проводящей поверхностью, 
не учитывая влияние на процесс формирования рассеянного поля внутренними поверхностями объекта, поскольку толщина покрытий распознаваемых объектов значительно больше толщины скин-слоя [4];

− эффект Доплера, если расстояние между РЛС и объектом изменя
ется, то частота колебаний, принимаемых приемником РЛС, будет больше 
или меньше частоты зондирующего сигнала f, в зависимости от того, 
уменьшается или увеличивается расстояние между РЛС и объектом. Если 
объект равномерно приближается к источнику колебаний (неподвижной 
РЛС) с радиальной скоростью Ur, то в направлении РЛС приходит отраженный сигнал с повышенной частотой. С ростом скорости объекта ча

1. Классификация методов радиолокационного распознавания 

11

стота отраженного сигнала fo увеличивается. Сигнал, принимаемый РЛС, 
проходит путь до движущегося объекта и обратно, поэтому смещение 
частоты зондирующего сигнала, отражаемого приближающимся к РЛС 
объектом, удваивается и составляет 2fo. Тогда частота отраженного от 
объекта сигнала составит 
)
/
U
(
f
r

2
1
. Если объект удаляется от РЛС, 

то 
частота 
отраженного 
сигнала 
равна 
)
/
U
(f
r

2
1
. 
Частоту 


/
U
f
r
д
2

называют доплеровской частотой;

− эффект изменения частоты при возбуждении полых объемов: эле
менты конструкции исследуемых объектов содержат элементы полых резонаторов (например, турбореактивные двигатели, воздухозаборники), 
оболочки которых подвергаются деформациям, обусловленным полетом 
ЛА. Деформации полых резонаторов приводят к появлению дополнительных составляющих в спектре отраженного сигнала. На рис.1 изображена 
резонансная полость объемом Vо с площадью поверхности Sо.

Рис. 1. Деформация полых резонаторов

Пусть вследствие возмущений объем резонансной полости стал V2. 

Тогда относительное приращение частоты вследствие этого возмущения 
будет определяться формулой



















0
0

2
0

0

0

v

*

v

*

'v

*

v

*

dV
H
H
dV
E
E

dV
H
H
dV
E
E











,

1. Классификация методов радиолокационного распознавания

12

где ω0 и ω − условные частоты сигналов без деформации и при деформации полого резонатора соответственно; ε, Е, Н − диэлектрическая проницаемость, векторы напряженности электрического и магнитного полей;
Е*, Н* − комплексно-сопряженные векторы относительно Е и Н. Изменение частоты при этом определяется  изменением объема полости на V2;

− микрофонный эффект, состоящий в появлении дополнительных 

низкочастотных составляющих в спектре обрабатываемого сигнала вследствие вибраций СВЧ-элементов конструкции РЛС.