Анализ ЭПР мини-дрона. Часть 2. Проведение эксперимента. Полный анализ дрона

21 марта 2017

Актуальность мониторинга миниатюрных дронов (беспилотных летательных аппаратов – БПЛА) сегодня не нужно никому доказывать. Один из подходов, решающих вопрос мониторинга БПЛА, их обнаружения и сопровождения, предполагает использование радиолокационных систем, в которых радар запрограммирован на анализ эффективной площади рассеяния (ЭПР) мини-дронов.

Представляем вашему вниманию подготовленный специалистами АстроСофт перевод 2-ой части статьи, написанной авторами для European Radar Conference 2015 на основании экспериментальных данных, в которой описывается ход эксперимента по измерению ЭПР и приводятся результаты исследования.

---

Проведение эксперимента. Полный анализ дрона.

Авторы: Мэттью Ритчи, Франческо Фиорэнелли, Хью Гриффитс
Департамент проектирования электронных устройств и электротехники
Университетский колледж Лондона, Лондон, Великобритания
Бёрг Торвик
Норвежский институт оборонных исследований (FFI)
Instituttveien 20, 2027, Кьеллер, Норвегия

Измерения ЭПР

Экспериментальные значения ЭПР замерялись в безэховой камере при расположении лопастей на расстоянии 1,9 м от антенны. Использованная антенна является широкополосной четырехэлементной рупорной антенной Satimo с коэффициентом усиления 8 дБ и шириной апертуры по уровню 3 дБ в 60° на частоте 2.4 ГГц. Кроме того, использовался векторный генератор (Vector Network Analyser- VNA) для генерации данных в диапазонах L (1-2 ГГц), S (2-3 ГГц) и C (5-6 ГГц). Выбор именно этих диапазонов обоснован тем, что они представляют интерес для РЛС управления воздушным транспортом (диапазоны L и S), а также для метеорадаров (диапазон C). Мощность сигнала от векторного генератора составила 10 дБм. Для калибровки использовалась металлическая пластина размером 26 см х 26 см, установленная на том же расстоянии, что и лопасти. Порт 1 векторного генератора был подключён порту антенны с вертикальной поляризацией, а порт 2 - к порту с горизонтальной поляризацией, так что коэффициент рассеяния S11 будет относиться к ЭПР мини-дрона в поляризации VV, а коэффициент рассеяния S22 – к ЭПР дрона в поляризации HH.

Измерения для каждого диапазона проводились на стенде-подставке из полого дерева при значениях азимута лопасти от 0° до 360° с шагом 45°. Лопасти располагались так, что для измерений HH поляризации электрическое поле наводилось по линии лопастей, а для VV поляризации – перпендикулярно. Лопасти дрона, рассматриваемого в данной работе, составляли примерно 24 см в длину.

Рис. 4 Лопасть из карбона, размещённая на деревянном постаменте

Для каждого измерения были сгенерированы 2000 частотных отсчетов, которые затем переводились во временную область для вычисления амплитуды. Результаты S22 (горизонтальная поляризация) в диапазоне S при плоской пластине, уголковом отражателе, полом постаменте и лопасти из карбона, повернутой на при 180°, представлены на Рис. 5.

Рис. 5 Результаты дальности H-поляризованного сигнала S22 для полого постамента, плоской пластины и уголкового отражателя

Портрет лопасти из карбона дрона DJI, расположенного на деревянного постаменте, представлен на Рис. 4. Тестируемые образцы лопастей были выполнены из трёх различных материалов: пластик, карбон (углеродное волокно) и металлизированный пластик, когда пластиковая лопасть покрыта тонкой металлической плёнкой. Лопасти были установлены так, чтобы при 0° и 180° они оказывались перпендикулярны антенне.

Временные отсчеты когерентно накапливались для каждого значения азимута. На Рис. 6 (a), (b) и (c) выбран интересующий отрезок по дальности и сопоставлен по азимуту для каждого материала в диапазонах L, S и С соответственно. Когда лопасть располагалась перпендикулярно к антенне, показатели амплитуды для S22 увеличивались, как и ожидалось. Результаты для лопастей из металла и карбона оказались довольно схожи и на графике выдают более широкий пик для центрального значения амплитуды при азимуте 180° для диапазонов L и S, и гораздо более узкий пик для диапазона C. Средняя разница в измерениях S22 для металла и карбона составляет всего 1,6 дБ, 1,4 дБ и 2,5 дБ для диапазонов L, S и C соответственно. График для пластика отличается по форме от графиков для металла и карбона, что, по всей видимости, вызвано значительно меньшей отражательной способностью и, соответственно, меньшим вкладом в обрабатываемый выходной сигнал. Ослабленное отражение сигнала от пластиковой лопасти оказалась на пределе возможностей экспериментального оборудования.

Также были проанализированы результаты S11 для вертикальной поляризации, и выяснилось, что для большей части этих результатов амплитуда во временной области была ниже, чем для фона. Это говорит о том, что отраженный сигнал был гораздо меньше по сравнению со случаем с горизонтальной поляризацией и ниже порога чувствительности экспериментального оборудования.

Рис. 6 Результаты H-поляризации лопасти S22 из пластика, углеродного волокна и металла для (а) диапазона L, (b) диапазона S, (c) диапазона C

На основании результатов моделирования, представленных на Рис. 3, предполагалось, что максимум амплитуды будет возрастать с увеличением частоты. Пики при горизонтальной поляризации для лопастей из металла и карбона при азимуте 180° показаны на рис. 7 в зависимости от частоты. Согласно графику, значения увеличиваются от диапазона L к диапазону S, но затем падают с ростом частоты в диапазоне C. Рост значений ЭПР в диапазонах L и S напрямую связан с ростом, полученным в промежутке от 1.8 ГГц и 2 ГГц в рамках моделирования (см. Рис. 3). Пиковые значения диапазона C не совпадают с тенденцией увеличения значений, выявленной во время моделирования, вероятные причины могут заключаться в изменении зоны рассеяния, проблемах подключения и согласования кабелей, а также в значимых ошибках моделирования. Для выявления более точных причин расхождения результатов необходимо провести дополнительный анализ данных.

Рис. 7 Показатели ЭПР для лопастей из металла и карбона при азимуте 180° в диапазонах L, S и С.

Полный анализ по дрону

Далее измерения для дрона DJI производились при помощи экспериментальной импульсной доплеровской РЛС, NetRAD [12]. Система NetRad когерентная с несущей 2.4 ГГц, полосой 45 МГц, питанием 0,2 В (при маломощной конфигурации), разработана в Университетском Колледже Лондона (УКЛ). РЛС сконструирована на прием изменяющихся по очереди импульсов с горизонтальной и вертикальной поляризацией. Данный функционал обеспечивается за счёт использования параболических антенн с двойной поляризацией, коэффициент усиления которых равен 18 дБ, а апертура - 18°. Работа с перемежением импульсов позволила провести непосредственное сравнение данных по HH и VV поляризациям. Вид экспериментальной установки представлен на Рис. 8.

Радар был установлен в чистом поле к северу от Лондона на территории спортивной площадки УКЛ, чтобы обеспечить минимальную шумовую обстановку. Дрон DJI совершал полёты по прямой линии на высоте приблизительно 2 метра от земли в радиусе от 70 до 150 м от радара. Переконфигурирование дрона заключалось в использовании лопастей из карбона, а не из пластика, как обычно, т.к. они обладают малой ЭПР.

Рис. 8 Дрон DJI, выполняющий полёт перед антеннами NetRAD

Данные из каналов HH и VV были проанализированы при помощи алгоритмов обработки малых доплеровских частот. К области дальности, в которой находилась цель, было применено быстрое преобразование Фурье (БПФ). Для этого было выбрано окно длительностью в 0,3 секунды с вероятностью 95% и применено к данным c частотой следования импульсов (pulse-repetition frequency, PRF) 10 кГц, что дает эквивалентную PRF в 5 кГц после ухода от перемежения поляризаций. Результаты 5-секундных накоплений HH и VV данных представлены на Рис. 9 (a) и (b) соответственно.

Составляющие малых доплеровских частот для двух разных поляризаций заметно отличаются. Результаты для горизонтальной поляризации имеют две важных особенности: первая – по большому счету кривая убывает по мере удаления дрона от РЛС от 0 Гц до (-50) - (-70) Гц. Вторая – это наличие множества отдельных помех, поступающих от лопасти, наблюдаемых вплоть до частоты 1 кГц. При вертикальной поляризации просматривается лишь сигнал, поступающий от самого дрона, компоненты отражения от лопасти не заметны. Судя по результатам моделирования эти компоненты для VV поляризации должны быть на 30-40 дБ ниже, в следствие чего они не попадают в зону чувствительности радара. Эти существенные различия показывают важность учета поляризации при попытках распознать по Доплеру отражение от лопасти для дронов малых размеров. Использование информации о малых доплеровских частотах несёт дополнительную информацию о цели и открывает возможности для классификации целей.

Рис. 9 Спектрограммы малых Доплеров для DJI при горизонтальной (HH) (a) и вертикальной (VV) (b) поляризации

Заключение

Данная статья обозначила угрозу, которую несут в себе мини-БПЛА, и осветила проблему отражения сигнала от лопастей с точки зрения радиолокации. Также было проведено электромагнитное моделирование конкретных видов лопастей для наглядной демонстрации зависимости от таких переменных, как частота, азимут и поляризация. Затем было выполнено сравнение данных моделирования с результатами экспериментов для конкретных видов лопастей реальных мини-БПЛА. Результаты экспериментов подтвердили выявленную во время моделирования тенденцию к увеличению ширины выбросов ЭПР по азимуту при увеличении частоты, хотя были зафиксированы некоторые расхождения между результатами моделирования и экспериментов для высоких частот. Также с применением полноценной РЛС были проведены дополнительные измерения для мини-БПЛА DJI с лопастями из карбона. Эти результаты позволяют непосредственно и одновременно сравнить малые доплеровские частоты для поляризаций HH и VV.

Дальнейшее развитие темы предполагает проведение экспериментов с аппаратами с неподвижным крылом и увеличением числа лопастей вплоть до рассмотрения октокоптеров и вертолётов. Основное внимание должно быть уделено тому, что различные материалы лопастей по-разному влияют на сигналы реальных РЛС, чтобы в дальнейшем можно было применять полученные данные для автоматической классификации летательных объектов.

Благодарности

Работа была профинансирована на средства премии И. Ф Харви от IET, которую вручили Хью Гриффитсу (2013). Авторы хотели бы поблагодарить профессора Энди Стова за его помощь в организации экспериментов.

Список использованной литературы
[1] http://www.caa.co.uk/default.aspx?catid=1995&pagetype=90, по данным сайта на 01.05.2015.
[2] https://www.faa.gov/uac/, по данным сайта на 01.05.2015
[3] http://www.bbc.co.uk/news/magazine-30387107, по данным сайта на 01.05.2015
[4] Long To, A. Bati and D. Hilliard, "Radar Cross Section measurements of small Unmanned Air Vehicle Systems in non-cooperative field environments", 3rd European Conference on Antennas and Propagation EuCAP 2009, стр. 3637-3641.
[5] E. F. Knott, J. Shaeffer and M. Tuley, "Radar Cross Section", 2004, Institution of Engineering and Technology.
[6] M. A. Richards, J. A. Scheer, J. Scheer and W. A. Holm, "Principles of Modern Radar: Basic Principles", 2010, SciTech Pub.
[7] J. J. M. de Wit, R. I. A. Harmanny and P. Molchanov, "Radar micro-Doppler feature extraction using the Singular Value Decomposition", 2014 International Radar Conference, стр. 1-6.
[8] P. Molchanov, K. Egiazarian, J. Astola, R. I. A. Harmanny and J. J. M. de Wit, "Classification of small UAVs and birds by micro-Doppler signatures", 2013, European Radar Conference (EuRAD), стр. 172-175.
[9] R. I. A. Harmanny, J. J. M. de Wit and G. P. Cabic, "Radar micro-Doppler feature extraction using the spectrogram and the cepstrogram", 11th European Radar Conference (EuRAD), стр. 165-168.
[10] N. Mohajerin, J. Histon, R. Dizaji and S. L. Waslander, "Feature extraction and radar track classification for detecting UAVs in civillian airspace", 2014, IEEE Radar Conference, стр. 0674-0679.
[11] A. Taflove and S. Hagness, "Computational Electrodynamics: The Finite-Difference Time-Domain Method" in , 2005, Artech House.
[12] T. E. Derham, S. Doughty, K. Woodbridge and C. J. Baker, "Design and evaluation of a low-cost multistatic netted radar system", IET Radar Sonar & Navigation, vol. 1, no. 5, стр. 362-368, 2007.

<<< Анализ ЭПР мини-дрона. Часть 1. Начало исследования. Предварительные вычисления ЭПР

Источник

Теги: эффективная площадь рассеивания, эпр, мини-дроны, дрон dji, показатели эпр