автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Поляризация радиолокационных сигналов, рассеянных сложными объектами

Введение. Общая характеристка работы.

1. Поляризационные параметры волн, рассеянных простыми и сложными радиолокационными объектами.

Аналитический обзор)

1.1. Понятие простого и сложного радиолокационного объекта в задачах поляризационной радиолокации.

1.2. Поляризация волн, рассеянных точечными PJIO и инвариантные параметры матриц рассеяния.

1.2.1. Детерминированная и статистическая теория поляризации волн, рассеянных точечными PJ10.

1.2.2. Параметры Хойнена для описания MP точечного РЛО.

1.2.3. Использование инвариантов MP для описания точечных PJ10 в отечественной литературе.

1.2.4. Использование понятия комплексной степени поляризационной анизотропии для описания точечных РЛО.

1.3. Двухточечная модель протяженного радиолокационного объекта. Поляризация волн, рассеянных сложными протяженными) объектами.

1.3.1. Двухточечная модель протяженного радиолокационного объекта.

1.3.2. Двухточечная модель сложного рассеивающего объекта в задаче анализа спекл-эффекта.

1.3.3. Поляризация волн при рассеянии сложными объектами.

1.4. Выводы. Постановка задачи.

2. Поляризационные свойства электромагнитного поля при рассеянии волн сложными радарными объектами.

2.1. Геометрия рассеяния для радарного объекта, обладающего случайно-распределенными рассеивателями. Геометрическая степень анизотропии сложного объекта.

2.2. Поле, рассеянное сложными радарными объектами. Оператор рассеяния сложного объекта. Отображение свойств сложного объекта в поляризационно-угловой зависимости рассеянного излучения.

2.3. Факторизация поляризационно-угловой и поляризационно-частотной зависимостей в поляризационном отклике сложного радарного объекта на единичное воздействие в виде плоской волны круговой поляризации.

2.4. Случайные функции поляризационно-углового отклика сложного радарного объекта на единичное воздействие в виде плоской волны круговой поляризации. Основные формы поляризационно-углового отклика.

2.5. Постановка задачи определения модели сложного радарного объекта и тонкой структуры его поляризационно-углового отклика с использованием принципа "эквивалентности в среднем".

2.6. Влияние состава рассеивающих центров сложного радарного объекта на статистическую однородность случайного поляризационно-углового отклика. Теорема

Стокса в задаче анализа поляризационно-углового отклика.

2.7. Частотно-зависимый оператор рассеяния и поляризационно-частотный отклик сложного радарного объекта.

Эвристические методы в задаче описания тонкой структуры поляризационно-угловых и поляризационно-частотных откликов сложного радарного объекта. Использование принципа эквивалентности в "среднем" для описания поляризационной структуры рассеянного поля и построения простых моделей сложных объектов.

3.1. Статистическое описание и средние характеристики выбросов кругового поляризационного отношения для поля, рассеянного сложным радарным объектом.

3.1.1. Понятие выброса применительно к поляризационно-угловому отклику вида Psr'(<5<p)|

Совместное распределение поляризационного отношения и его производной.

3.1.2. Статистические характеристики выбросов поляризационно-угловых откликов вида к{(р)= tana(<p) и s3((p)= sin2а(ф) . Нули поляризационно-угловых откликов сложного объекта.

3.2. Использование принципа эквивалентности «в среднем» для построения модели сложного радарного объекта в виде системы из двух разнесенных отражателей.

3.2.1. Простейшая модель сложного радарного объекта «в среднем», на основе системы двух разнесенных ортогональных диполей.

3.2.2. Обобщенная модель сложного радарного объекта.

3.2.3. Полный поляризационно-угловой отклик сложного радрного объекта.

3.3. Использование принципа эквивалентности «в среднем» для определения поляризационно-частотной функции отклика и модели сложного радарного объекта в частотной области.

3.3.1. Тонкая структура поляризационно-частотного отклика сложного радарного объекта.

3.3.2. Модель сложного радарного объекта для определения поляризационно-частотной функции отклика «в среднем».

3.4. Поляризационно-допплеровская функция отклика

Сложного радарного объекта.

3.4.1. Метод внешней когерентности для поляризационно-допперовской функции отклика.

3.4.2. Простейшая модель составного радарного объекта.

3.4.3. Энергетический критерий в задаче сравнения эффективности простого допплеровского и поляризационно-допплеровского способов обнаружения при использовании метода внешней когерентности.

4 . Экспериментальные исследования поляризационной структуры волн, рассеянных сложными радиолокационными объектами.

4.1. Исходные экспериментальные данные для анализа поляризационно-угловых функций отклика сложных PJIO.

4.1.1. Общая справка об экспериментальных исследованиях.

4.1.2. Исходные экспериментальные данные и их преобразование.

4.1.3. Индикатрисы рассеяния и поляризационно-угловые функции отклика сложных PJ10.

4.2. Экспериментальная оценка средних значений параметров выбросов стохастической части поляризационно-угловых функций отклика сложных PJ10 и сравнение экспериментальных данных с результатми теории.

4.2.1. Экспериментальная оценка средних значений параметра тонкой структуры поляризационно-уловых функций отклика.

4.2.2. Оценка снизу степени поляризации волны, рассеянной сложным PJIO, по данным экспериментальных исследований.

4.2.3. Сравнение результатов теоретической оценки среднего числа выбросов ПУФО сложного PJ10 с результатами экспериментальной оценки.

4.3. Экспериментальное обоснование справедливости принципа эквиваленности принципа эквивалентности "в среднем" с использованием результатов корреляционного анализа стохастической части поляризационно-угловой функции отклика сложного PJ10.

4.4. Сопоставление результатов теоретического анализа поляризационно-частотных и поляризационно-допплеровских функций отклика сложных PJIO с экспериментальными данными.

4.4.1. Поляризационно-частотная функция отклика сложного РЛО.

4.4.2. Поляризационно-допплеровская функция отклика сложного PJIO.

Актуальность проблемы.

Исследования последних лет показывают, что использование поляризационных параметров рассеянной волны существенно повышает информационную способность радиолокационных станций (PJIC) и позволяет решить ряд задач, связанных с селекцией искусственных радиолокационных объектов (PJIO) на фоне мешающих отражений, а также с проблемой идентификации и классификации PJ10, имеющих простую форму (тела вращения, уголковые отражатели и т.п.). В качестве модели, отвечающей процессу отображения электрофизических свойств PJ10 простой формы в поляризационных параметрах рассеянной волны, используется поляризационная матрица рассеяния (MP) «точечного» объекта.

Однако использование поляризационной информации для решения как задач селекции, так и задач классификации PJTO сложной формы, характеризуемых случайной совокупностью жестко связанных рассеивающих центров, сдерживается отсутствием модели, отвечающей процессу отображения электрофизических и геометрических параметров сложного PJIO в поляризационной структуре рассеянного поля. Матрица рассеяния «точечного» объекта не может адекватно отбразить данный процесс при рассеянии волн сложным PJIO, обладающим совокупностью рассеивающих центров.

Анализу рассеивающих свойств PJ10 простой и сложной формы, а также протяженных целей, посвящено значительное количество работ как в России, так и в странах Запада. При этом сложные PJIO определяются как тела нерегулярной формы, в отличие от простых объектов (тел вращения). Однако основное содержание этих исследований посвящено разработке методов расчета эффективной поверхности рассеяния (ЭПР) PJIO при фиксированных поляризациях приема и излучения (обычно для линейной поляризации), а поляризационная стуктура рассеянной волны анализируется только для случая простых объектов.

Проблемы статистической теории радиолокации PJIO сложной формы и протяжены целей наиболее полно рассмотрены в монографиях Р. В. Островитянова, Ф. А. Басалова, и Е. А. Штагера. В этих работах используются фундаментальные результаты теории рассеяния волн и методов определения ЭПР. Однако анализ проведен в основном для совпадающих линейных поляризаций приёма-передачи, за исключением случаев анализа влияния поляризации илучения PJIC на угломерный шум при радиолокационном зондировании протяженных целей.

Кроме того, само определение сложного PJIO в упомянутых монографиях не имеет чёткой формулировки. Так Ф. А. Басалов и Р. В. Островитянов считают, что это определение имеет чисто геометрический смысл и отображает только соотношение размеров объекта и размеров разрешаемой PJIC площади, а Е. А. Штагер использует понятие «локального» рассеивателя, который может объединять в своём составе несколько «простых» («точечных») рассеивающих центров.

Однако проблема разделения класса PJIO на подклассы «простых» и «сложных» объектов разрешается с использованием методов классической теории дифракции и, в частности, с использованием интеграла Стрэттона-Чу, допускающего представление полного дифракционного интеграла в виде суммы интегралов, каждый из которых может быть интерпретирован как «простой» центр вторичного излучения, обусловленный областью стационарной фазы.

Таким образом, реальные PJIO, такие как аэродинамические (самолеты и прочие летательные аппараты), баллистические (ракеты), орбитально-космические (спутники Земли и космические аппараты), наземные и морские (суда всех классов и наземная техника), имеющие сложную конфигурацию и обладающие размерами, значительно превышающими длину волны, будут характеризоваться совокупностью центров вторичного излучения («блестящих точек»).

Вклад каждого центра в полный дифракционный интеграл зависит от размера области стационарной фазы, т.е. в области вблизи рассматриваемого центра излучения, где суммарная фаза в подынтегральном выражении отличается не более, чем на от её значения в центре области. Эта область, определяющая характер переизлучённого поля,, может обладать электрической анизотропией, что позволяет характеризовать каждый центр вторичного излучения «локальной» MP как точечный объект.

Пространственное расположение центров вторичного излучения в пределах объекта будет иметь случайный характер, а их количество (с позиции наблюдателя) изменяется в зависимости от позиционного угла PJIO относительно PJIC. В итоге как суммарное поле рассеяния, так и его поляризационная структура будут представлять собой случайные функции как позиционного угла, так и частоты излучения РЛС.

Факт наличия случайных флуктуаций поляризационных параметров волн, рассеянных сложными PJIO, в зависимости от позиционного угла объекта, а также существование зависимости поляризационных параметров от частоты излучения РЛС подтверждается результатами многолетних экспериментальных исследований, проведенных в Томском университете систем управления и радиоэлектроники под руководством профессора В. Н. Татаринова коллективом в составе: Е. В. Масалов, В. А. Хлусов, А. П. Бацула, В. И. Карнышев, О. С. Кореньков, С. В. Татаринов, С. И. Кокташев, С. И. Кунтиков и др.

В результате экспериментальных исследований было установлено, что при рассеянии волн сложными РЛО наблюдается целый ряд эффектов, не имеющих места при рассеянии волн простыми РЛО, а именно: измеряемый поляризационный параметр (тангенс угла эллиптичности) волны, рассеянной сложным РЛО, представляет собой случайную функцию позиционного угла и флуктуирует в пределах tanCf(<p)e [±l] ;

- измеряемый поляризационный параметр волны, рассеянной сложным РЛО, является функцией частоты излучения РЛС и изменяется в интервале tana(ft))e [±l] ;

- измеряемый поляризационный параметр волны, рассеянной сложным движущимся РЛО, является функцией допплеровского сдвига частоты и изменяется в пределах tana(£2rf)e [±l] .

Однако ни детерминированная, ни статистическая теория поляризации радиоволн, рассеянных стабильными и флуктуирующими точечными объектами, изложенная как в основополагающих работах В. А. Потехина, Д. Б. Канарейкина, Н. Ф. Павлова, И. Ф. Шишкина, С. И. Поздняка, В. И. Мелитицкого, А. И. Козлова, В. В. Богородского, Дж. Хойнена, В.-М. Бернера, В. Н. Татаринова, В. А. Сарычева, А. И. Логвина, Д. Джули, так и в оригинальных работах других исследователей, не даёт вышеописанным эффектам объяснения и не позволяет произвести количественные оценки этих эффектов.

Из изложенного следует, что в настоящее вемя существует актуальная научно-техническая задача развития общего аналитического подхода к проблеме определения поляризационных параметров волн, рассеяных сложными РЛО, содержащими в своём составе случайную совокупность центров вторичного излучения.

Цель работы.

Целью настоящей диссертационной работы является развитие общего аналитического подхода к проблеме определения поляризационных параметров волн, рассеянных сложными РЛО, теоретический и экспериментальный анализ тонкой структуры поляризационно-угловых, поляризационно-частотных и поляризационно-допплеровских функций отклика сложных РЛО для увеличения количества информации, получаемой поляризациционымми РЛС.

Научная новизна.

1. Впервые получены аналитические выражения, доказывающие, что средние значения параметров, характеризующих тонкую структуру поляризационно-углового отклика сложного PJIO, определяются среднеквадратичной шириной поперечного сечения (относительно линии визирования) пространственного спектра сложного PJIO;

2 . Впервые получены аналитические выражения, доказывающие, что средние значения параметров, характеризующих тонкую структуру поляризационно-частотного отклика сложного PJIO, определяются среднеквадратичной шириной продольного сечения (относительно линии визирования) пространственного спектра сложного PJIO;

3 . С использованием энергетического критерия доказана повышенная эффективность поляризационно-допплеровских способов обнаружения PJIO по сравнению с традиционными допплеровскими способами в режиме внешней когерентности.

4 . Предложен принцип эвивалентности «в среднем» для построения математических и физических моделей сложных РЛО.

Практическая ценность работы.

Предложенный аналитический подход устанавливает связи между среднеквадратичными геометрическими характеристиками сложных (распределенных) РЛО и средними параметрами тонкой структуры поляризационно-угловых и поляризационно-частотных откликов этих объектов, позволяет получить новые решения задач селекции РЛО, а также дает возможность определения их размеров для использования в задачах классификации и идентификации.

Результаты работы использованы при выполнении договора TU Delft ЕТ 97 0 02 6 «Классификация и контраст сложных радиолокационных объектов с использованием поляризационно-допплеровской информации» между Технологическим университетом Делфта (Нидерланды) и Томским государственным университетом систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР), а также при составлении технического задания на договор IS 00.065 «Поляризационное повышение контраста радиолокационных объектов» между Технологическим университетом Делфта (Нидерланды) и ТУСУР и его исполнении.

На публичную защиту выносятся следующие основные положения:

1. Сочетание принципа Гюйгенса, законов интерференции Френеля и методов теории выбросов случайных функций позволяет развить новый эвристический подход для анализа тонкой структуры поляризационно-угловых и поляризационно-частотных функций отклика сложных PJIO, обусловленной спектром пространственнх частот объекта.

Параметры тонкой структуры откликов есть количество пересечений нулевого уровня, продолжительность положительных выбросов и длительность интервалов между ними.

2. Средние значения параметров тонкой структуры случайных поляризационно-угловых и поляризационно-частотных функций отклика сложных PJIO, обладающих стохастическим распределением центров вторичного излучения, определяются среднеквадратичной шириной поперечного и продольного сечений (относительно линии визирования) пространственного спектра сложного PJ10 соответственно.

3. Если некоторая случайная функция представляет собой угловое (или частотное) распределение поляризационного параметра поля, рассеянного сложным PJIO, то некоторая детерминированная функция , параметры тонкой структуры которой равны средним значениям соответствующих параметров тонкой структуры случайной функции на заданном угловом (или частотном) интервале, то можно утверждать, что функция эквивалентна функции в среднем», т.е. в смысле равенства средних значений. 4. Если некоторое случайное угловое (или частотное) распределение поляризационного параметра обусловлено рассеянием на сложном PJIO, обладающем стохастическим распределением центров вторичного излучения, то угловое (или частотное) распределение этого же параметра, эквивалентное «в среднем», определяется рассеянием на детерминированном распределенном объекте, геометрические параметры которого соответствуют среднеквадратичным параметрам сложного PJIO.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих симпозиумах, конференциях и семинарах:

1. Международный симпозиум «Прогресс в электромагнитных исследованиях - 94» (PIERS'94), июль 1994 г., Нордвайк, Нидерланды;

2. 3-я Международная конференция по радиолокационной поляриметрии (JIPR'3), март 1995 г., Нант, Франция;

3. Международный симпозиум «Сибконверс-95», май 1995 г., Томск, Россия.

4. Международный Симпозиум «Прогресс в электромагнитных исследованиях - 95» (PIERS'95), Сиэттл, США;

5.Европейская конференция "Радары с синтезированной апертурой" (EUSAR'96), март 1996 г., Кенигсвинтер, Германия;

6.Международный Симпозиум "Прогресс в электромагнитных исследованиях - 96" (PIERS'96), июль 1996 г., Иннсбрук, Австрия;

7.Международный семинар "Широкополосная интерферометрия и поляриметрия в задачах радиолокационного обзора и дистанционного зондирования" (WIPSS) , июнь 1997 г., Оберпфаффенгофен, Германия;

8.Международный Симпозиум "Прогресс в электромагнитных исследованиях - 97", (PIERS'97), август 1997 г., Гонконг;

9.Международный семинар "Широкополосная интерферометрия и поляриметрия в задачах радиолокационного обзора и дистанционного зондирования" (WIPSS-97), сентябрь 1997 г., Томск, Россия;

10.4-я международная конференция по радиолокационной поляриметрии (JIPR'4) июль 1998 г., Нант, Франция;

11.Международный симпозиум "Геофизика и дистанционное зондирование" (IGARSS'99), июль 1999 г., Гамбург, Германия;

12.Международная микроволновая конференция (MIKON-2000), май 2000 г., Вроцлав, Польша.

13.Международная микроволновая конференция (MIKON-2002), май 2002 г., Гданьск, Польша.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 3 статьи, 19 полных текстов докладов и 8 тезисов докладов в Трудах вышеупомянутых симпозиумов и конференций.

Объем работы

Диссертационная работа содержит Введение, четыре основных раздела и Заключение; работа изложена на 194 стр., в т.ч. 148 страниц текста, 33 стр. рисунков, 5 стр. таблиц, список литературы из 82 наименований.

Заключение. Основные выводы и результаты.

В настоящей работе сформулирован и развит новый эвристический подход для анализа тонкой структуры поляризационно-угловых, поляризационно-частотных и поляризационно-допплеровских функций отклика сложных PJIO, обладающих стохастическим распределением центров вторичного излучения.

По итогам работы можно сформулировать следующие основные выводы и результаты:

1. Определены понятия поляризационно-углового и поляризационно-частотного отклика сложного PJIO при облучении последнего волной с заданной поляризацией.

2. Определена общая форма оператора рассеяния сложного PJIO и доказана возможность раздельного (факторизованного) анализа поляризационно-углового и поляризационно-частотного откликов сложного РЛО.

3. Рассмотрено влияние состава рассеивающих центров сложного РЛО на статистические свойства поляризационно-углового отклика.

4. Предложена методика разделения поляризационно-угловых откликов, обусловленных протяженными (дифрагирующими) элементами сложного РЛО и точечными центрами вторичного излучения.

5. Установлено, что средние значения параметров тонкой структуры случайных функций поляризационно-углового отклика сложного РЛО определяются среднеквадратичной шириной поперечного сечения (относительно линии визирования) пространственного спектра объекта.

6. Установлено, что средние значения параметров тонкой структуры случайных функций поляризационно-частотного отклика сложного РЛО определяются среднеквадратичной шириной продольного сечения (вдоль линии визирования) пространственного спектра объекта.

7. Предложен принцип эквивалентности «в среднем», позволяющий построить простые детерминированные модели сложных РЛО.

8. Предложены простые модели сложного РЛО, представляющие собой систему пространственно разнесенных отражателей, обладающих ортогональными поляризациями, и обеспечивающих поляризационно-угловые и поляризационно-частотные функции отклика, эквивалентные «в среднем» случайным функциям отклика.

9. Предложен энергетический критерий для объяснения повышенной чувствительности поляризационно-допплеровского отклика при обнаружении малых объектов по сравнению с допплеровским способом в режиме внешней когерентности.

10. Проведены экспериментальные исследования поляризационно-угловых функций отклика сложных РЛО, в ходе которых получены экспериментальные оценки средних значений параметров тонкой структуры отклика.

11. Анализ данных эксперимента доказал наличие предсказанной связи между средними параметрами тонкой структуры отклика и среднеквадратическими размерами объекта.

12. Сравнение результатов теоретической оценки среднего числа выбросов поляризационно-углового отклика с данными эксперимента показало удовлетворительное совпадение.

13 . Результаты корреляционного анализа поляризационно-угловых функций отклика доказывают справедливость принципа эквивалентности «в среднем» для построения упрощенных моделей сложных РЛО.

14. Данные экспериментальных исследований поляризационно-частотной функции отклика сложного стабильного РЛО показывают, что форма поляризационно-частотного отклика соответствует форме, определенной путем теоретического анализа.

15. Данные экспериментальных исследований поляризационно-допплеровских функций отклика сложных объектов (человек, передвигающийся на фоне подстилающей поверхности; движущееся судно с незначительной радиальной составляющей скорости) демонстрируют совпадение среднего числа выбросов функции отклика с теоретической оценкой с точностью «10%.

В заключение автор благодарит научных руководителей работы д.т.н. профессора В.Н.Татаринова, д.т.н. профессора Г.С.Шарыгина и профессора-доктора Л.П.Лихарта за постановку задачи и ценные рекомендации.

Автор благодарен научным сотрудникам, преподавателям и инженерам кафедры КИПР ТУСУР д.т.н. профессору Е.В.Масалову, к.т.н. ст. научному сотруднику В.А.Хлусову, к.т.н. доценту О.С.Коренькову, к.т.н. ст. научному сотруднику В . И.Карнышеву, инженерам Л.С.Копилевичу, С.И.Кокташеву, С.И.Кунтикову и всему персоналу, участвовавшему в проведении экспериментальных исследований поляризационных параметров сложных РЛО как в окрестностях г. Томска, так и в ходе экспедиций в акваториях озера Иссык-Куль и Телецкого озера.

1. Proceedings of the 1.EE. Тематический выпуск: Отражательная способность радиолокационных объектов. V. 53, № 8, 1965.

2. Уфимцев П. Я. Метод краевых волн в физической теории дифракции. М.: Сов. Радио, 1965. 200 с.

3. Proceedings of the IEEE. Тематический выпуск: Эффективная площадь отражения сложных радиолокационных объектов. V. 77, № 5, 1989.

4. IEEE Transaction of Antennas and Propagation. 1989, № 5.

5. Басалов Ф. А., Островитянов P. В. Статистическая теория радиолокации протяженных целей. М.: Радио и связь, 1982. -232 с.

6. Штагер Е. А. Рассеяние радиоволн на телах сложной формы. М.: Радио и связь, 1986. 184 с.

7. Басс Ф. Г., Фукс И. М. Рассеяние волн на статистически неровной поверхности. М.: Наука, 1972. 424 с.

8. Зубкович С. Г. Статистические характеристики сигналов, отраженных от земной поверхности. М. : Сов. Радио, 1968. -224 с.

9. Дулевич В. Е., Коростелев А. А., Мельник Ю. А. и др. Теоретические основы радиолокации. М.: Сов. Радио, 1964, -560 с.

10. Ширман Я. Р., Голиков В. Н., Бусыгин И. Н. и др. Теоретические основы радиолокации. М.: Сов. Радио, 1970. -460 с.

11. Kell R. Е. On the derivation of Bistatic RCS from Monostatic Measurements. Proc. of the IEEE, v. 53, № 8, 1963, pp. 983 988.

12. Stratton J. A. and Chu L. J. Diffraction Theory of Electromagnetic Waves. Physical Review, v. 56, 1939, pp. 308 -316.

13. Борн M., Вольф E. Основы оптики. M.: Наука, 1970. 856 с.14