Симуляції прийому сигналу детектором дронів: антена на даху vs антена на торпеді
Два тижні тому я побачив пост зі скріншотом намальованої росіянами схеми щодо того, де саме на буханці треба встановлювати детектор дронів:
Додам, що вони створили модель для «Буханки», а для легкового автомобіля ззаду все буде не так жахливо.
Побачивши це, мені захотілось перевірити – а справді, як саме це буде виглядати для якогось типового легкового автомобіля в ЗСУ, порівнюючи антени, встановлені на даху і антени, встановлені всередині кабіни?
Прикладною фізикою я в останній раз нормально займався влітку 2022 року, але основи все ще пам’ятаю, і як раз вийшло що у мене встановлений весь необхідний інструментарій. Вивчивши доступні публікації по темі automotive EM, стало зрозуміло що з сучасними обчислювальними потужностями це не дуже складна задача.
Software and hardware
Спочатку я, звісно, подумав що треба полізти в старий добрий COMSOL або ANSYS, але при розгляді другої частини NSCC files я встановив собі Altair FEKO, і мені дуже сподобався цей пакет програм для високочастотних CEM – досить простий та відносно легковісний, поетапно реалізовано все від підготовки моделей до якісного аналізу результатів. Єдине, чого в ньому немає – це можливості намалювати складну геометрію з нуля, тому тут довелось малювати модельку в соліді і потім імпортувати.
З хардверного – мій ZBook з 64 гб DDR4 та маленьким ксеоном нормально вивіз підготовку моделей, тестові рани солверу на одній невисокій частоті, а також аналіз результатів. Але необхідність провести пачку симуляцій на різних і досить високих частотах, де розмір трикутників мешу зменшується пропорційно зменшенню довжини хвилі, змусила мене полізти в хмару і орендувати сумарно 64 vCPU з 512 Gb RAM більш ніж на тиждень, враховуючи час виправлення помилок та експериментів.
Щоб зрозуміти, що я все роблю правильно, я прогнав симуляції дипольок через основні канонічні приклади із Altair FEKO Example Guide, також я повторив результати ось цієї статті і отримав дуже схожі результати.
Геометрія пікапу і матеріали
Так як пікап – це основний засіб вітчизняного корчепрому, який застосовується для вирішення всіх логістичних задач, то єдиним варіантом було моделювати прийом сигналу саме на ньому. Серед доступних в інтернеті моделей пікапів саме в потрібному b-rep форматі не було моделей, оптимізованих під CEM, а швидко спростити доступні щоб вони влізли в FEKO не вдалось, тому треба було намалювати модель в соліді з нуля. Я зупинився на Такомі:
Звісно, для пошуку оптимального розташування антени на автомобілі треба використовувати більш деталізовані моделі, але для ілюстративних симуляцій, які ми будемо проводити, потреби в детальному вимальовуванні кожної деталі немає. Єдине, в чому я серйозно відхилився від справжньої Такоми – я не став малювати заднє вікно, бо навіть коли заднє вікно в пікапі дійсно є – то мій практичний досвід пригод з кулеметом підказує, що в кузові буде стільки всякого барахла, що сигнал все одно нормально не пройде.
Кузов пікапу був змодельований як PEC без врахування фарб та покриттів – тут я навіть не досліджував питання детально, бо обмежитись PEC для корпусу це стандартна практика.
Звичайна внутрянка кабіни (сидіння та інший декор) мало впливає на far field, особливо враховуючи, що антена встановлена в районі торпеди. Згідно Significance of Dielectric Materials for In-Vehicle Electromagnetic Field Computation, навіть для internal field distributions в цих діапазонах внутрянка впливає дуже слабо, тому немає сенсу витрачати зайві машиногодини для того щоб врахувати сидіння, пластикові ручки і т.д.
Вікна були змодельовані як thin dielectric sheet з характерними для вікон характеристиками і товщиною. Я почав з того ж самого Significance of Dielectric Materials for In-Vehicle Electromagnetic Field Computation, також звірився з FDTD Analysis of On-Glass Dipole Antenna Mounted in Full-scale Vehicle on Flat Earth for Radar Application, після чого ще пройшовся по публікаціях, де для різних диапазонів частот замірювались експериментальні значення впливу скла на сигнал.
Варто відмітити, що все це – спроба врахувати лише звичайне скло без будь-якого покриття. Вплив скла з покриттям буде набагато сильнішим:
Characterization of Vehicle Penetration Loss at wireless communication frequencies
Ultra-wideband (UWB) radio channel measurements were performed for the frequency range of 0.6-6.0 GHz inside an industrial facility employing a modern hatchback passenger car. Several realistic measurement scenarios were considered to obtain large measurement data sets that were post-processed to analyse directional penetration loss and channel delay characteristics. Measured average VPL was estimated to 3 dB for no window coating, 6.6 dB for commercial window film
UWB car attenuation measurements
Але так як покриття можуть дуже сильно відрізнятись одне від одного, а автовиробники не поспішають публікувати детальні дані щодо того, як ці покриття впливають на сигнал, то я зупинився на звичайному склі. Розраховую на те, що читачі самі зможуть врахувати, що скоріш за все антени детектору дронів, встановлені всередині кабіни, будуть на практиці приймати сигнал ще гірше, ніж показують мої аматорські симуляції.
Також окремо варто відмітити випадок броневиків типу моєї підірваної Тойоти, MaxxPro, броньованих хамві та іншого колісного – так як бронескло дуже товсте, а також скоріш за все має ще й якісь нестандартні покриття, то в такому випадку встановлення антен детекторів всередині точно не варіант, і це зрозуміло навіть без симуляцій.
Антени і частоти
Тут я багато думав, що саме моделювати і як, але в підсумку зупинився на звичайному вертикальному half-wave dipole як достатньому для таких ілюстративних симуляцій stand-in, враховуючи що якісь хитрі окремі антени до детекторів дронів для встановлення на дах автомобіля не виробляються, а комплекти для подовження виглядають якось так:
Змоделювати точні діапазони не вийшло, бо доступного мені комп'юту нормально вистачало лише на симуляції до 4 GHz включно, тому я зупинився на двох діапазонах – 1.0 – 2.0 GHz з діполем на 1.5 GHz та 3.0 – 4.0 GHz з діполем на 3.5 GHz. Можна було б дійти і до 6 GHz, але грошей в мене не настільки багато, щоб провести якісний frequency sweep в цьому діапазоні.
Для антени, встановленої на даху, я поставив 50 мм дистанції від даху як мінімально адекватну дистанцію для цих діапазонів; антена, встановлена на торпеді, також знаходиться на адекватній відстані від корпусу автомобіля, більше ніж за 50 мм.
Результати
Найбільш зручно представити результати в .gif форматі, де частота проходиться від 1.0 до 2.0 GHz з кроком в 100 MHz, і також від 3.0 до 4.0 GHz з кроком в 200 MHz. Відповідно, "roof" означає антену на даху пікапа, а "windshield" - на торпеді під лобовим склом. Почнемо з total gain в 3D:
Для тих, кому цікаво як це виглядає - surface currents, instantaneous magnitude:
Але, звісно, більш за все читачів цікавить картинка як на початку статті - щось, що візуально відповідає дистанції детекції дрону в різних напрямках. Досить грубо квадратний корінь із total gain повинен бути пропорційним дистанції, тому візуалізуючи його, ми зможемо побачити як розташування антени впливає на дистанцію детекції в різних напрямках:
Висновки
В цілому з цих результатів симуляцій можна зробити два очевидних висновки, що встановлення антени всередині автомобіля навіть з дуже радіопроникним склом:
- унеможливлює ефективну детекцію дрона, який заходить на машину ззаду, доганяючим курсом
- в середньому зменшує дистанцію детекції саме в тих напрямках, з яких на машину заходитиме атакуючий дрон
Відповідно, у більшості випадків все буде ще гірше, тому що в цих симуляціях я поставив найбільш радіопроникне скло з тих, які можуть бути встановлені у автомобілі.
Більш глибокі висновки, ніж "ставте антени на даху", тут придумати складно - якщо у вас є ідеї для аналізу, то я всі файли симуляцій на всіх частотах зберіг, і напевно зможу їх якось по-іншому візуалізувати.
Я вже трохи стомився третій рік підряд займатись то піхотною, то не дуже інтелектуальною штабною роботою, так що спробую спитати і тут.
Якщо комусь подобаються технічні штуки, про які я пишу, то буду дуже радий почути будь-які пропозиції щодо переведення, якщо вам потрібні офіцери, які можуть профільно займатись подібним після чотирьох років вивчення прикладної фізики та фізики плазми до війни.
Якщо вас зацікавила моя кандидатура і вам є що запропонувати - пишіть в direct messages мого каналу.