автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Экспериментальное исследование пространственно-временных характеристик помех от морской поверхности и неоднородностей тропосферы для оптимизации устройств обработки сигналов радиотехнических систем

62 11/52

ИНСТИТУТ РАДИОФИЗИКИ И ЭЛЕКТРОНИК ИМ. АЛ. УСИКОВ А, НАЦИОНАЛЬНОЙ АКАДЕМИИ НАУК УКРАИНЫ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОМЕХ ОТ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ И НЕОДНОРОДНОСТЕЙ ТРОПОСФЕРЫ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ УСТРОЙСТВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

05.12.17 «Радиотехнические и телевизионные системы» Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Миронов Владимир Александрович

УДК.621.396.96:621.391

Й - 0 20Ц &Щ

Научный руководитель Хлопов Григорий Иванович доктор технических наук

Харьков-2010

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И СИМВОЛОВ 4

ВВЕДЕНИЕ 6 РАЗДЕЛ 1

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЙ 15

1.1. Отражения от морской поверхности 15

1.2. Отражения от оптически ненаблюдаемых неоднородностей тропосферы в виде «ангел-эхо» 39

1.3. Обоснование направления исследований 48 Выводы по разделу 1 49

РАЗДЕЛ 2

МЕТОДИКА И АППАРАТУРА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 51

2.1. Условия и методика проведения

экспериментальных исследований 51

2.2. Измерительная РЛС в диапазоне 2 см 55

2.3. Измерительная РЛС в диапазоне 3,2 см 58

2.4. Измерительная РЛС в диапазоне 10 см 61 Выводы по разделу 2 63

РАЗДЕЛ 3

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СИГНАЛОВ, РАССЕЯННЫХ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ И НЕОДНОРОДНОСТЯМИ ТРОПОСФЕРЫ 65

3.1. Исследование выбросов сигналов,

отражённых морской поверхностью 65

3.1.1. Измерение распределения числа выбросов 69

3.1.2. Измерение распределения длительности выбросов 81

3.2. Исследования спектральных характеристик сигналов,

отражённых от морской поверхности 89

3.2.1. Оценка плотности распределения и стационарности отраженных сигналов 90

3.2.2. Спектральные характеристики сигналов,

отраженных от морской поверхности 96

3.3. Исследование отражений от неоднородностей

приводного слоя атмосферы 106

3.3.1. Характеристики отражений от неоднородностей тропосферы 106

3.3.2. Пространственно - временные характеристики АЭ 111 3.3.3 Спектральные характеристики сигналов АЭ 116 Выводы по разделу 3 124

РАЗДЕЛ 4

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

НА ФОНЕ ПАССИВНЫХ ПОМЕХ ОТ МОРЯ 129

4.1. Особенности использования радар-процессора

для обработки сигналов морских навигационных РЛС 130

4.2. Разработка адаптивного алгоритма обработки

сигналов морских навигационных РЛС 133

4.3. Эффективность адаптивного алгоритма

в режиме накопления некогерентной пачки импульсов 141

Выводы по разделу 4 147

ВЫВОДЫ 149

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 158

ПРИЛОЖЕНИЕ 170

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

РЛС - радиолокационная станция

РЛК - радиолокационный комплекс

РТС - радиотехническая система

РЛ - радиолокационный

ДН - диаграмма направленности антенны

ДЛ - дискретная линия

ЭМВ - электромагнитная волна

ЭПР - эффективная площадь рассеяния

АЦП - аналого-цифровой преобразователь

ИЗП - импульс запуска передатчика

УЭПР - удельная эффективная площадь рассеяния

ХИП - хаотическая импульсная помеха

Grad N - градиент показателя преломления

АЭ - «ангел-эхо»

АС - анализатор спектра

СПМ - спектральная плотность мощности

СКО - среднеквадратичное отклонение

МП - морская поверхность

Ф - угол между распространением морского волнения и ДН

л - число равное 3,141592

SS - степень волнения моря

h - высота установки антенны РЛС

(р - угол скольжения радиоволны

Кг - радиус кривизны фацет

к - волновое число электромагнитного поля

Л - длина радиоволны

о

о - коэффициент рассеяния радиоволны

Ч

с

/ г

г

V к л

ад £ Дг

С/

и

X д

я

г

С

ь

- разность фаз сигналов от элементарных отражателей

- угловая скорость вращения антенны

- скорость распространения радиоволн

- несущая частота РЛС

- текущее расстояние

- время

- импульсный объём РЛС

- волновое число морского волнения

- длина морской волны

- спектр волновых чисел поверхностного волнения

- комплексная диэлектрическая проницаемость

- радиальное смещение отражателя

- действующее значение напряжения

- медианное значение напряжения

- скорость ветра

- ширина диаграммы направленности по азимуту

- диаметр капли брызг

- водность г/м3

- эффективная высота морской волны

- цифровые отсчеты с выхода АЦП с периодом следования

- длительность зондирующего импульса РЛС

- период следования импульсов

- период ложной тревоги

- длительность строба дальности

- порог ограничения

- количество импульсов в пачке

- вероятность ложной тревоги

- вероятность правильного обнаружения

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы диссертации. Проблема обеспечения безопасного судовождения в условиях ограниченной видимости и в сложных метеоусловиях принадлежит к одной из наиболее востребованных задач современной навигации, особенно с учетом все возрастающей интенсивности судоходства. При этом использованию радиолокационных средств для решения задач судовождения нет альтернатив, так как обнаружение и измерение координат надводных объектов (судов, береговой черты, узости и др.) при отсутствии оптической видимости с помощью современных штатных навигационных РЛС осуществляется достаточно надежно.

Однако, пассивные помехи в виде отражений от взволнованной морской поверхности и от неоднородностей тропосферы (называемых «ангел-эхо») маскируют отраженные сигналы от целей, существенно снижая эффективность применения навигационных РЛС для безопасного судовождения.

К настоящему времени проведено достаточно много экспериментальных исследований пассивных помех, в том числе, и в Украине, среди которых необходимо отметить работы ИРЭ НАН Украины (В.Б. Разсказовский, Г.П. Кулемин, Ф.В. Кивва, С.И. Хоменко и др.), НИИ «Квант» (В.П. Гузь, Н.В. Хоменко), МГИ НАН Украины (В.А. Пустовойтенко), Национальный технический университет, г. Севастополь (Л.Ф. Лобкова).

Тем не менее, характеристики выбросов и параметры допплеровских спектров сигналов, отраженных от взволнованной поверхности моря, исследованы недостаточно, особенно, при использовании РЛС с высокой разрешающей способностью и при скользящих углах облучения. Также практически отсутствуют данные о характеристиках сигналов от оптически ненаблюдаемых объектов, так называемых «ангел-эхо», поскольку

разделение характеристик пассивных помех от морской поверхности и «ангел-эхо» представляет значительные технические сложности и требует применения специальной методики.

В результате, существующие модели рассеяния радиоволн морской поверхностью и неоднородностями тропосферы существенно расходятся с реальными данными, что снижает эффективность алгоритмов обработки сигналов, основанных на этих моделях. В этой связи, проведение экспериментальных исследований указанных типов пассивных помех является необходимым этапом для уточнения существующих и разработки новых моделей рассеяния радиоволн для последующей оптимизации соответствующих алгоритмов обработки отраженных сигналов в навигационных РЛС.

Поэтому является актуальной тема диссертационных исследований, которые направлены на экспериментальные исследование характеристик от взволнованной морской поверхности и от неоднородностей тропосферы («ангел-эхо») и совершенствование на их основе методов обработки отраженных сигналов с целью улучшения характеристик обнаружения и сопровождения надводных объектов с помощью навигационных РЛС.

Связь работы с научными программами, планами, темами.

Диссертационные исследования тесно связаны с выполнением плановых НИР «Обработка сигналов корабельной трёх координатной РЛС С и Ки диапазонов» (№ГР0102У003732, 2001 - 2002гг.), проводимой НИИ «Квант РЛ» (г. Киев), а также госбюджетной НИР «Исследование и разработка активно-пассивных методов мониторинга окружающей среды» (№ГР 010711001080, 2006-2011), проводимой ИРЭ НАН Украины. В указанных НИР дисертант был соисполнителем.

Цели и задачи исследования. Учитывая большую практическую значимость исследования пассивных помех в виде отражений от моря и неоднородностей тропосферы, к настоящему времени проведено достаточно

много исследований, в том числе, и в Украине, среди которых необходимо отметить работы ИРЭ НАН Украины (В.Б. Разсказовский, Г.П. Кулемин, Ф.В. Кивва, С.И. Хоменко и др.), НИИ «Квант» (В.П. Гузь, Н.В. Хоменко), МГИ НАН Украины .(В.А. Пустовойтенко), Технический Университет, г.Севастополь (Л.Ф. Лобкова).

Тем не менее, характеристики выбросов и параметры допплеровских спектров сигналов, отраженных от взволнованной поверхности моря исследованы недостаточно, особенно при использовании РЛС с высокой разрешающей способностью и при скользящих углах облучения. Также практически отсутствуют данные о характеристиках сигналов от оптически ненаблюдаемых объектов, так называемых «ангел-эхо», так как разделение характеристик пассивных помех от морской поверхности и «ангел-эхо» представляет значительные технические сложности и требует применения специальной методики. Большое прикладное значение имеет исследование характеристик пассивных помех в диапазоне Х=2 см, который является весьма перспективным для обнаружения в дальней зоне надводных целей [4] благодаря эффективному распространению в приводных волноводах.

В результате, существующие модели рассеяния радиоволн морской поверхностью и неоднородностями тропосферы существенно расходятся с экспериментальными данными, что снижает эффективность алгоритмов обработки сигналов с их использованием. В этой связи, проведение экспериментальных исследований в натурных условиях является необходимым этапом для уточнения существующих и разработки новых моделей для создания эффективных алгоритмов обработки отраженных сигналов в навигационных РЛС.

Поэтому целью настоящей диссертации является построение уточненных моделей пространственно-временных и спектральных характеристик пассивных помех в виде отражений радиоволн от взволнованной морской поверхности под скользящими углами облучения и неоднородностей тропосферы («ангел-эхо») на основе результатов

экспериментальных исследований в широком диапазоне рабочих частот с целью совершенствования алгоритмов обработки сигналов навигационных РЛС, обеспечивающих лучшие характеристики обнаружения целей при наличии указанных типов пассивных помех.

Для достижения указанной цели в диссертации решались следующие задачи:

- разработка и создание многочастотного радиолокационного измерительного комплекса для проведения натурных исследований пространственно-временных и спектральных характеристик пассивных помех;

- синхронные экспериментальные исследования пространственно-временных и спектральных характеристик сигналов, отраженных от морской поверхности и «ангел-эхо», при зондировании на разных частотах и скользящих углах облучения;

уточнение существующих моделей рассеяния сигналов, отраженных от взволнованной морской поверхности моря и «ангел-эхо»;

- совершенствование алгоритмов обнаружения полезных сигналов с целью компенсации пассивных помех в виде отражений от морской поверхности на основе полученных результатов экспериментальных исследований;

- реализация предложенных алгоритмов обнаружения полезных сигналов на фоне пассивных помех в специализированном радар-процессоре, работающем в составе штатных навигационных РЛС;

проведение натурных исследований на реальных морских целях для оценки эффективности предложенных алгоритмов обнаружения полезных сигналов на фоне пассивных помех в штатной навигационной РЛС.

Объект исследования - явление рассеяния радиолокационных сигналов морской поверхностью и неоднородностями тропосферы.

Предмет исследования - пространственно-временные и спектральные характеристики сигналов, отраженных от морской поверхности и «ангел-эхо», при зондировании на разных частотах и скользящих углах облучения.

Методы исследования. При проведении диссертационных исследований использовались основные положения теории распространения и рассеяния радиоволн, теории радиолокации, теории случайных процессов и математической статистики, теории планирования эксперимента, математического моделирования.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

- впервые проведены синхронные измерения пространственно-временных и спектральных характеристик выбросов сигналов, отраженных от взволнованной морской поверхности при радиолокационном зондировании с высокой разрешающей способностью по дальности в разных диапазонах длин волн (к=2 см, 3,2 см и 10 см) и скользящих углах облучения, что позволяет уточнить существующие модели рассеяния радиоволн взволнованной морской поверхностью в зависимости от ракурса наблюдения и состояния морской поверхности;

- впервые проведены синхронные измерения пространственно-временных и спектральных характеристик сигналов «ангел-эхо» в разных диапазонах длин волн (1=2 см, 3,2 см и 10 см) и предложен алгоритм обработки отраженных сигналов, позволяющий разделить вклад отражений от морской поверхности и «ангел-эхо», в результате чего получены данные о частоте появления, траектории движения и характеристиках «ангел-эхо»;

- на основе результатов исследований получил дальнейшее развитие метод обнаружения полезных сигналов на фоне пассивных помех в виде отражений от морской поверхности, который характеризуется раздельным принятием решения по отдельным частям пачки отраженных сигналов и адаптивным изменением порогового уровня в зависимости от

интенсивности волнения моря и азимутального положении луча антенны относительно направления морских волн.

Практическая значимость результатов определяется следующим:

полученные результаты синхронных экспериментальных исследований пространственно-временных и спектральных характеристик сигналов, отраженных от взволнованной морской поверхности в разных диапазонах длин волн могут быть использованы для выработки рекомендаций по совершенствованию алгоритмов обработки сигналов в РЛС, работающим по морским целям;

проведенные измерения пространственно-временных и спектральных характеристиках сигналов 2-х сантиметрового диапазона, отраженных от взволнованной морской поверхности представляют перспективный интерес для решения задачи обнаружения в дальней зоне надводных объектов за счет повышенной рефракции и приводных волноводов испарения;

результаты экспериментальных исследований использованы при разработке адаптивного алгоритма обнаружения полезных сигналов для подавления пассивных помех в виде отражений от морского волнения при различной интенсивности морских волн и ориентации луча антенны РЛС относительно направления их движения;

предложенный адаптивный алгоритм обнаружения целей по пачке отраженных сигналов на фоне пассивных помех реализован в специализированном радар-процессоре, включенном в состав штатной навигационной РЛС;

проведены натурные испытания на навигационной РЛС «Вайгач» и реальной цели в виде катера, которые показали, что такой радар-процессор обеспечивает более эффективное подавление пассивных помех от морского волнения на 4-^-15 дБ в зависимости от его интенсивности.

- радар-процессор с реализованным алгоритмом обнаружения внедрен в штатных навигационных PJIC в лаборатории измерительной техники Черноморского Флота Российской Федерации (акт внедрения № 529 от 11. 09. 09г).

Личный вклад соискателя в совместных публикациях состоит в следующем:

- в работе [105] получены результаты экспериментальных измерений пространственных характеристик выбросов сигналов от пассивных помех, зависимости статистических характеристик помех от условий наблюдения и длины радиоволны, а также гистограммы распределения количества выбросов в зависимости от установленного порога;

- в работе [100] получены результаты измерений характеристик спектров радиолокационных сигналов, отраженных морской поверхностью, при разных интенсивности волнения моря и положении луча антенны относительно направления морских волн;

- в работе [108] проведён анализ параметров обнаружения радиолокационных сигналов в зависимости от количества импульсов и условий распространения радиоволн. Произведена количественная оценка эффективности разработанного алгоритма, который позволил увеличить вероятность правильного обнаружения на 4-^-15 дБ при фиксированном у значении ложных тревог в одноимённых условиях;

- в работе [109] получены результаты внедрения адаптивного алгоритма борьбы с пассивными помехами на штатных навигационных РЛС «Вайгач», «Волга» и «Фрегат».

Работа [101] написана в соавторстве, а личный вклад соискателя состоит в участии в проведении измерений, обработке и обобщении экспериментальных данных о распределении «ангел-эхо» по координатам, скорости движения, величине эффективной поверхности рассеяния, распределении по высоте и определению характерных трае�