CC BY
84
УДК 621.391.677: 519.711.3 Горбалысов М.С.
Россия, Пенза, Пензенский государственный университет
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ
Аннотация. В статье рассматривается влияние тепловых воздействий на характеристики излучения зеркальной антенны. Разработана программа моделирования характеристик излучения антенны с учетом влияния внешних тепловых воздействий. Даны рекомендации по совершенствованию систем использующих зеркальные антенны.
Ключевые слова: моделирование, зеркальная антенна, характеристики излучения, тепловые воздействия .
Для осуществления непрерывной деятельности особо важных промышленных объектов необходимо обеспечение их комплексной безопасности. С целью физической защиты таких объектов для предотвращения различных противоправных несанкционированных действий, применяют различные системы безопасности, которые осуществляют непрерывный контроль периметра объекта и обнаружение нарушителей.
При эксплуатации особо важных промышленных объектов на системы безопасности действуют естественные дестабилизирующие факторы: различные виды грунта и подстилающей поверхности, неровности рельефа, склоны в зоне обнаружения, растительность, осадки, природно-климатические явления, фауна. А также искусственные дестабилизирующие факторы: транспорт и люди, строения, со-
оружения и др. Поэтому одной из актуальных задач модернизации существующих и разработки новых систем безопасности, является улучшение характеристик обнаружения факта преодоления охраняемого рубежа в условиях неблагоприятных воздействий окружающей среды.
Перспективным направлением в модернизации и разработке новых систем безопасности, обеспечивающим значительный рост дальности действия и улучшение характеристик обнаружения факта преодоления охраняемого рубежа в условиях неблагоприятных воздействий окружающей среды, является использование радиолокационных методов обнаружения. Периметровые радиолокационные системы безопасности обычно рассчитаны на охрану рубежа протяженностью до 300 м. Существуют системы, рассчитанные на работу до 500 м. В таких системах применяют параболические зеркальные остронаправленные антенны больших размеров (до 1 м) , которые полностью защитить от неблагоприятных воздействий невозможно, т.к. они находятся в непосредственном соприкосновении с ней. Деформации отражающей поверхности, вызванные внешними и внутренними неблагоприятными воздействиями, изменяют ее форму по сравнению с расчетной. Вследствие чего изменяется пространственные амплитудно-фазовые распределения источников возбуждения. Изменяется диаграмма направленности (ДН), коэффициент усиления (КУ), уровень боковых лепестков (УБЛ), коэффициент направленного действия (КНД) и другие параметры антенны.
Для деформаций, обусловленных тепловыми воздействиями, изменение этих параметров антенны становится значительным [1], и сильнее изменяются параметры системы, по причине того, что в радиолокационной системе безопасности антенна в значительной мере определяет её технические характеристики. Так при воздействия пониженной температуры окружающей среды до минус 50°С на исследуемую антенну возникает деформация с максимальным отклонением от исходного профиля до 0,5 мм, направленного по нормали к поверхности антенны с размерами апертуры 0,25x0,47 м. В рабочем диапазоне излучаемых волн X — 3,2 см такая деформация оказывается существенной. Снижение КУ антенн системы, вследствие вышеназванных причин, приводит к снижению уровня принимаемого сигнала, что влияет на соотношение сигнал/шум и приводит к снижению вероятности правильного обнаружения цели системой и увеличению вероятностей пропуска цели.
Снижению КУ антенн при неблагоприятных воздействиях соответствует увеличение ширины главного лепестка диаграммы направленности и рост уровня боковых лепестков. Это сильно влияет на геометрию зоны обнаружения (30). Так, например, для двухпозиционных систем при увеличении ширины главного лепестка ДН в горизонтальной плоскости на 0,5’ , происходит расширение 30 в поперечном сечении на 0,4 м, при длине блокируемого рубежа в 100 м. Такое изменение ДН соответствует увеличению ширины зоны обнаружения на 15% от исходной ширины 2,6 м. При длине блокируемого рубежа до 500 м ширина ЗО уже увеличивается на 2,2 м, при начальной ширине ЗО 6,5 м. По этой причине, необходимо предусматривать при эксплуатации дополнительные зоны отчуждения [2] и проводить инженерную подготовку зоны обнаружения с учетом воздействия неблагоприятных факторов.
Одним из современных способов, позволяющих исследовать влияние тепловых воздействий на имеющиеся и новые разработки радиолокационных систем безопасности, является математическое моделирование. Такой способ подразумевает создание математических моделей составных частей системы безопасности. При этом изменение параметров каждого элемента системы неизбежно сказывается на выходных параметрах всей системы. Существующие математические модели радиолокационных систем безопасности не учитывают влияние тепловых воздействий на конструктивные и электрические характеристики антенн, поэтому возникает необходимость их математического моделирования и оценки влияния таких воздействий еще на этапе проектирования. В связи с этим особую актуальность приобретает построение математических моделей антенн, с учетом влияния тепловых воздействий окружающей среды, а так же исследование таких систем с помощью этих моделей для достижения устойчивости к тепловым воздействиям с целью повышения надежности их эксплуатации.
Достижения в области вычислительной техники в настоящий момент предоставляют возможность применить методы моделирования, позволяющие создавать адекватные математические модели и анализировать влияние внешних воздействий на характеристики антенн с высокой степенью точности. Но существующие пакеты прикладных программ - Ansoft HFSS, CST Microwave Studio, EMSS FEKO, и ряд других не включают математическое моделирование тепловых воздействий на характеристики излучения зеркальных антенн. Однако исследование влияния тепловых воздействий на конструкцию антенны может быть проведено с использованием некоторых из них. Такой возможностью обладает, например, пакет SolidWorks.
Моделирование влияния тепловых воздействий на широко используемую в радиолокационных системах безопасности зеркальную антенну сегментно-параболического типа в приложении SolidWorks Simulation позволяет определить деформацию отражающей поверхности зеркальной антенны с учетом ее пространственного положения, метода установки и закрепления, физико-механических свойств
используемых материалов. Для использования результатов моделирования деформации зеркала антенны с целью анализа такого влияния на характеристики излучения, необходим перенос данных о координатах точек отражающей поверхности в электродинамическую модель антенны. Такой перенос данных может быть осуществлен путем экспорта исходных координат точек поверхности зеркала и их смещений при деформациях с помощью инструмента «Зондирование» и дальнейшего сохранения данных в виде текстового файла с разделителями, имеющими расширение «*.csv». Дальнейшая обработка данных производится в разработанной использованием модулей системы MATLAB программе моделирования влияния температурных деформаций на характеристики сегментно-параболической антенны [3]. Эта программа использует электродинамическую модель зеркальной антенны [4], отличающаяся дискретным представлением ее излучающей поверхности, позволяющим учесть изменения пространственного положения её отдельных фрагментов при деформации зеркальной антенны, возникающей вследствие тепловых воздействий, и оценить их влияние на характеристики излучения.
Программа предназначена для построения семейства кривых, представляющих собой диаграммы направленности микроволновых зеркальных антенн в их главных плоскостях, соответствующих как исходному состоянию отражающей поверхности, так и деформированному состоянию. Исходная информация может быть получена из различных САПР[7-9] (поддерживающих формат *.csv) в результате моделирования влияния температурных деформаций на зеркальную антенну. Программа считывает из этих файлов данные о геометрии антенны. В соответствии с ними строится конечно-элементная модель отражающей поверхности зеркальной антенны. Форма элемента поверхности - треугольная.
Напряженность суммарного электрического поля всех элементов поверхности формирует искомую диаграмму направленности. Расчет проводится с помощью апертурного метода, использующего законы геометрической оптики с учетом векторного характера поля. При этом используется математическая модель диаграммы направленности облучателя, представленного в виде волноводно-щелевой антенны, формирующей равномерное распределение напряженности электрического поля в антенне. Расчеты проводились для рабочей частоты 9 ГГц. Результаты расчета диаграммы направленности при температуре антенны минус 50°С в вертикальной плоскости представлен на рис. 1, а в горизонтальной плоскости на рисунке 2.
В результате обработки данных о характеристиках излучения антенны, полученных при моделировании тепловых воздействий с помощью разработанной программы при различных температурах окружающей среды, были определены зависимости основных параметров её диаграммы направленности от температуры.
Рассмотрим влияние температурных деформаций антенны на параметры всей системы. Для этого проведем оценку изменения коэффициента усиления антенной системы под влиянием неблагоприятных воздействий.
Рис. 1. Результаты расчета ДН в вертикальной плоскости
Рис. 2. Результаты расчета ДН в горизонтальной плоскости
Оценка изменения КУ антенны, при изменении УБЛ и ширины ДН производилась с помощью формулы для оценки КНД [5]:
D =
4л
2%,52^0,5
+ Чл (4л 2^0,52^0,5)
(1)
где t6/l - эффективный уровень боковых лепестков.
Для вычисления t6/l необходимо вычислить исходное значение КНД, например страненной формуле [5]:
32000
, (2)
2%,52^0,5
где 2^05 и 2^05 - ширина диаграммы направленности в градусах. В соответствии с формулой (1) t6jl определится как
4л 2(Рр,5 20р, 5
Dn 4л — 2(ръ,ъ 2,0О,
. (3)
и. =
бл
по широко распро-
Если ввести коэффициент изменения уровня боковых лепестков к^ , то формула (1) преобразуется к виду
D = 4ф + к1А(4л — 2^0,52^0,5) , (4)
2^0,52^0,5
позволяющему учесть влияние изменения УБЛ на КНД при тепловых воздействиях. Так как КУ антенны G определяется из КНД как G = D, где % - КПД антенны, то изменение КУ полностью определяется изменением КНД.
Для моделирования влияния антенны на параметры радиолокационной системы безопасности рассмотрим её основные характеристики. К наиболее важным характеристикам таких систем относят [2] геометрические размеры зоны обнаружения (ЗО), появление в которой объекта обнаружения вызывает возникновение полезного сигнала с уровнем, превышающим уровень шума или помехи. При этом система обнаружения должна обеспечивать заданную вероятность обнаружения Р0б и вероятность лож-
ной тревоги Рж в этой зоне.
Так как задача радиолокационного обнаружения является статистической, то для моделирования влияния антенны на характеристики обнаружения системы, устанавливающих связь между вероятностью правильного обнаружения и отношением сигнал/шум q = S / N при заданной вероятности ложной
тревоги, при использовании распределения Рэлея и обобщенного закона распределения Рэлея для распределения случайных величин сигналов и шумов, может быть использована приближенная формула, справедливая при значении вероятности обнаружения, превышающей 0,5:
( П--- I / .
, (5)
P = —
О 2
1 + erf
ft+q — lg 1 Рт
где erf(x) - интеграл вероятности ошибки (табличная функция).
Значение вероятности правильного обнаружения Роб можно непосредственно найти по известному
значению отношения сигнал/шум q и требуемому значению вероятности ложной тревоги P , исполь-
зуя формулу (5).
Чтобы обеспечить заданные параметры вероятностей обнаружения и ложной тревоги максимальная мощность шумов должна быть меньше в q раз уровня принимаемой мощности, которая может быть
рассчитана на основе уравнения для линии радиосвязи
P = P GiG212F
P2 = Pl (4л)1 RH
(6)
[6]:
где Pi - мощность, излучаемая антенной передатчика; Gi , G2 - КУ передающей и приемной ан-
тенны соответственно; X- длина волны излучения; RH - расстояние между антеннами приемника и
передатчика; F - интерференционный множитель, учитывающий отражение от подстилающей поверхности и потери на распространение сигнала.
Следовательно, при изменении КУ приемных и передающих антенн, по формуле (6) меняется мощность принимаемого сигнала и изменяется соотношение сигнал/шум. Так как КУ антенн связан с шириной луча ДН и УБЛ, то его изменение влияет на геометрию ЗО и определяет помехозащищенность радиолокационной системы безопасности. Так, например, при большом УБЛ, приемник становится более восприимчивый к воздействиям помех и шумов, приходящих с направлений, отличных от интервала углов, определяемых главным лепестком ДН антенны.
На основе уравнений (1)-(6) и данных об УБЛ и ширине ДН, полученных при моделировании температурных деформаций была построена зависимость вероятности обнаружения от температуры окружающей среды, представленная на рис. 3.
Рис. 3. Зависимость вероятности обнаружения от температуры окружающей среды
Таким образом, с помощью математической модели сегментно-параболической антенны, позволяющей учесть влияние тепловых воздействий на характеристики её излучения, проведена оценка влияния температурных деформаций на такие параметры радиолокационной системы безопасности как характеристика обнаружения.
Полученные результаты могут быть использованы в управлении радиолокационной системой безопасности, для сохранения параметров всей системы на высоком уровне в условиях неблагоприятных воздействий. Например, для управления антенной системой, с изменяемой ДН, автоматически регулируя параметры которой можно было бы компенсировать негативное влияние внешних воздействий. Так применение адаптивных или самонастраивающихся антенн в системах безопасности, характеристики которых приспосабливаются в процессе работы к изменяющимся внешним условиям, могло бы решить проблему влияния неблагоприятных воздействий на характеристики обнаружения и другие параметров системы.
Также чтобы улучшить характеристики обнаружения системы безопасности использующих зеркальные антенны в условиях тепловых воздействий, необходимо на основе исследований на построенной математической модели влияния тепловых воздействий на антенну и систему в целом, управлять порогом обнаружения системы в реальном масштабе времени с помощью интеллектуальной системы, способной с учетом данных о состоянии окружающей среды и результатов априорного анализа поведения конструкций антенн в текущих условиях эксплуатации, учесть отличия реальных характеристик антенн от расчетных. Тогда появиться возможность сохранить соотношение сигнал/шум и обеспечить функционирование системы с требуемыми характеристиками.
Таким образом, для периметровых радиолокационных систем безопасности радиолучевого типа, используемых для охраны протяженных рубежей длиной более 100 метров, влияние тепловых воздействий на антенны и систему в целом нельзя пренебрегать. А оптимизация конструкций антенн с использованием результатов исследования математической модели влияния тепловых воздействий на характеристики излучения антенн, реализованную в программе моделирования, позволяет с наименьшими затратами времени и средств получить оптимальные конструкторские решения, устойчивые к влиянию тепловых воздействий, избежать дорогостоящих натурных испытаний и найти приоритетные направления дальнейшей модернизации систем безопасности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Якимов А.Н. Проектирование микроволновых антенн с учетом внешних воздействий: монография / А.Н. Якимов. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2004. - 206 с.
2. Магауенов Р.Г. Системы охранной сигнализации: основы теории и принципы построения. - М.: Горячая линия-Телеком, 2004. - 367 с.
3. Горбалысов М.С. Программа моделирования сегментно-параболической антенны с учетом влияния внешних тепловых воздействий (свидетельство о регистрации электронного ресурса № 18782 от
19.12.2012 г.) / Горбалысов М.С., Якимов А.Н.
4. Горбалысов М.С. Моделирование влияния тепловых воздействий на антенны и характеристики радиолучевой системы. /Горбалысов М.С., Якимов А. Н. Надежность и качество - 2011: труды Международного симпозиума: в 2 т./ под ред. Н.К. Юркова. Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. т. 1 С. 287289.
5. Сазонов Д.М. Антенны и устройства СВЧ. -М.: Высш. шк, 1988. - 432 с.
6. Радиотехнические и радиооптические системы: Учебное пособие для студентов вузов / Э.А. Засовин, А.Б. Борзов, Р.П. Быстров [и др.] /Под ред. Э.А. Засовина.- М.: Круглый год, 2001. -
752 с.
7. Информационные технологии проектирования РЭС. Единое информационное пространство предприятия : учеб. пособие / В. Б. Алмаметов, В. Я. Баннов, И. И. Кочегаров. - Пенза : Изд-во
ПГУ, 2013. - 108 с.
8. Юрков, Н.К. Алгоритм проведения проектных исследований радиотехнических устройств опытно-теоретическим методом / А.В.Затылкин, И.И.Кочегаров, Н.К. Юрков //Надежность и качество: Труды международного симпозиума. В 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. Пенза: Изд-во Пенз. гос. унта, 2012. Том 1, С. 365-367
9. Горячев Н.В. Алгоритм функционирования системы поддержки принятия решений в области выбора теплоотвода электрорадиоэлемента / Н.В. Горячев // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 238-238.
