Моделирование процесса радиолокационного обнаружения с использованием цифровых двойников антенной системы и объекта наблюдения

Введение. Сегодня кардинально меняется концепция разработки изделий. Применение технологий цифровых двойников позволяет перенести центр тяжести разработки на самые ранние стадии и существенно снизить возможные риски, затрачиваемые временные и материальные ресурсы. Классические статистические подходы к оцениванию обнаруживающей способности радиолокационных средств не позволяют получить полную динамическую картину в силу большого количества изменяемых параметров.

Цель работы. Разработка методико-алгоритмического обеспечения моделирования процесса радиолокационного обнаружения с использованием цифровых двойников антенной системы и объекта наблюдения.

Материалы и методы. Множители уравнения радиолокации представлены характеристиками, зависящими от частотных, угловых, поляризационных параметров и рассчитываемыми с использованием цифровых моделей (двойников). Для расчета характеристик направленности антенного элемента и характеристики обратного рассеяния объекта использованы методы численной электродинамики, реализованные в среде автоматического проектирования ANSYS HFSS. Методами математического и компьютерного моделирования осуществлена взаимная увязка результатов численного моделирования. Для формирования характеристики направленности антенной решетки, получения динамической зависимости отношения сигнал/шум и анализа вероятности правильного обнаружения применялся пакет прикладных программ MATLAB.

Результаты. Продемонстрирована возможность применения технологии цифровых двойников для проверки обнаруживающей способности радиолокационной станции при наблюдении объектов заданного класса. Рассчитана динамическая зависимость отношения сигнал/шум для заданных радиолокационной станции, объекта наблюдения и фоноцелевого сценария, представленных своими цифровыми моделями. Рассчитана гистограмма плотности распределения вероятности правильного обнаружения, которая демонстрирует плохую обнаруживающую способность радиолокационной станции при наблюдении объекта заданного класса.

Заключение. Значимость настоящего исследования заключается в разработке методико-алгоритмического обеспечения с использованием технологии цифровых двойников, позволяющего оценить вероятность обнаружения объектов заданного класса радиолокационным средством при реализации тех или иных технических решений на ранних этапах (стадиях) его разработки.

1. Цифровые двойники в высокотехнологичной промышленности. Краткий доклад / А. И. Боровков, А. А. Гамзикова, К. В. Кукушкин, Ю. А. Рябов. СПб.: Политех-Пресс, 2022. 492 с.

2. Прохоров А. Н., Лысачев М. Н. Цифровой двойник. Анализ, тренды, мировой опыт. М.: Альянс Принт, 2020. 401 с.

3. Кораблев А. В. Ключевые функциональность и преимущества использования цифровых двойников в промышленности // Цифровая экономика. 2019. Вып. 2 (6). С. 5–11. doi: 10.34706/DE-2019-02-01

4. Принслу В. Использование цифровых двойников при работе с сыпучими материалами // CAD/CAM/CAE Observer. 2019. Vol. 129, № 5. P. 55–57.

5. Skolnik M. Radar Handbook. 3rd ed. New York: McGraw-Hill, 2008. 1329 p.

6. Budge M., German S. Basic Radar Analysis. Norwood: Artech House, 2015. 727 p.

7. Richards M., Scheer J., Holm W. Principles of Modern Radar. Vol. I: Basic Principles. Raleigh: SciTech Publishing, 2010. 924 p.

8. Melvin W., Scheer J. Principles of Modern Radar. Vol. II: Advanced Techniques. Raleigh: SciTech Publishing, 2013. 846 p.

9. Melvin W., Scheer J. Principles of Modern Radar. Vol. III: Radar Applications. Edison: SciTech Publishing, 2014. 796 p.

10. Balanis C. Antenna theory analysis and design. 4th ed. New Jersey: Wiley, 2016. 1027 p.

11. Knott E., Shaeffer J., Tuley M. Radar Cross Section. 2nd ed. Raleigh: SciTech Publishing, 2004. 637 p.

12. Harrison A. Introduction to Radar Using Python and Matlab. Norwood: Artech House, 2020. 474 p.

13. Mahafza B. Radar systems analysis and design using Matlab. 3rd ed. New York: CRC Press, 2013. 734 p.

14. Wang B. Digital signal processing techniques and applications in radar image processing. New Jersey: Wiley, 2008. 338 p.

15. Chen V., Ling H. Time-Frequency Transforms for Radar Imaging and Signal Analysis. Norwood: Artech House, 2002. 214 p.