автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Методы поляризационной селекции радиолокационных целей и разработка селекторов, их реализующих

•• -1: г!

ШШИСТЙкзТВО ТРАНСПОРТА РОССИИ

ДЕЙ^АШГГ _1^ДУ11ШОГОТРАНСГЮРТА________

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

На правах рукописи УДК 621.396. 96. 001 (

/

ИСАЕВА Ольга Михайловна

МЕТОДЫ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СЕЛЕКЦИИ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ЦЕЛЕЙ И РАЗРАБОТКА СЕЛЕКТОРОВ, ИХ РЕАЛИЗУЮЩИХ

Специальность: 05.12.04 - Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Г -2-____________

Работа выполнена в кэсковском институте инженеров гражданской авиации.

Научный руководитель

Официальные оппоненты -

Ведущая организация -

Академик АТ РФ, Заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор, доктор фиаико - математических наук Козлов А. И.

Академик АТ РФ, Заслуженный деятель науки и техники ЛР, профессор, доктор технических наук Ходаковский Е А. доцент, кандидат технических наук Егоров В. И.

Государственное научно-производственное приедприятие "РаДар ШС"

3?лцита диссертации состоится "_" рсьЛР 199г.

в "__" часов на заседании специализированного совета К 072.05.03

по присуждению ученой степени кандидата технических науц в Московском институте инженеров гражданской авиации по адресу: 125838, Москва, Кронштадтский бульвар, 20.

Автореферат разослан 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного совета К 072.05-. 03, доцент, кандидат

технических наук и. и. Шемаханов ,

и

Г _.'

1 ( /'ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Коренное изменение приоритетных ориентиров в политике нашего государства коснулось практически всех сторон жизни общества, экономики, науки и техники. В полной мере это относится и к такому сугубй военно-гражданскому направлению как радиолокация, где ее целевые акценты все более стали сменяться в область решения задач, связанных с обнаружением и различением сугубо "мирных" целей таких как гражданские летательные аппараты и морские средства, природные образования и искусственные сооружения, диэлектрические и геометрические неоднородности и т. п. Это смещение целей сказалось и на выборе методов и средств их достижения. Если раньше поиск новых форм обработки радиосигналов определялся в значительной степени наличием сознательно поставленных помех и вопросы энергетики отходили на второй план, то сегодня во все большем и большем числе радиолокационных задач в качестве помехи выступают лишь отражения от {юнопых образований, статистическая устойчивость которых позволяет иметь достаточно большие априорные знания об этих отражени-их, с одной стороны, а с другой - проблемы энергетики оказались напрямую связаны с финансово-экономическим состоянием тех организаций, для кого получается искомая радиолокационная информация. Именно поэтому поиск новых методов обработки радиолокационных сигналов, учитывающих, насколько это возможно, "всю" информацию, содержащуюся в отраженной радиоволне представляет :оСюй весьма актуальную и злободневную проблему, поскольку причинение таких методов ни на гран не требует увеличения энергетического потенциала радиолокационных станций. Сказанное определяет актуальность диссертационной работы, как раз и посвященной решению цикла задач названной проблемы, охватывающей ее аспекты эт разработки общих соотношений для статистических характеристик талнолокационных целей, методов и принципов их поляризационной :?лекции до синтеза оптимальных поляризационных селекторов.

J

г

Дедыо работы является разработка методов и принципов поляризационной селекции радиолокационных целей и разработка селек-. торов их реализующих.

ррстарденная цель достигается путем решения следующих основных задач:

1. Анализа . общих принципов и существующих методов поляризационной селекции радиолокационных целей.

2. Разработки оптимизационных функционалов.

3. .Определения плотности распределения вероятностей элементов матрицы рассеяния.

4. Разработки новых методов полйри8ациснной селекции радиолокационных целей ( метод ортогонагазации, метод управления ра-диолс.сационным контрастом ).

5. Синтеза поляризационных селекторов радиолокационных целей.

1. Проведен синтез оптимальных и квазисптимальннх алгоритмов обработки сигначов по поляризации, обеспечивающих наилучшие в рамках критерия Неймака-Пирсона и среднего риска обнаружение и селекцию радиосигналов.

2. Определены оптимальные виды поляризации передающих и приемных антенн, обеспечивающих экстремальные вначения энергетического радиолокационного контракта

3. Доказана инвариантность многомерной плотности распределения вероятностей квадратурных компонент сигнала в ортогональных каналах к смене, поляризационного базиса.

. 4. Решена эадача радиолокационного контраста двух целей с учетом собственных шумов приемника.

5. Проведена сравнительная оценка методов поляризационной селекции.

6. Решена задача по определен:!« совместной и соответствующих одномерных плотностей распределения.вероятностей для модулей и аргументов основных и кроссовых элементов матрицы рассеяния радиолокационных целей.

7. Решена вздача по определении взаимного контраста двух

состоит в том, что в ней впервые:

частично поляризованных радиоволн с учетом собственных шумов приемника.

Практическая значимость работы состоит в том. что ее результаты позволяют:

1. Синтезировать оптимальные и квагиоптимальныв устройства поляризационных селекторов, позволяющих обеспечить наилучшие в рамках критериев Неймана-Пирсона и среднего риска обнаружение и поляризационную селекцию радиосигналов. «,

2. Разрабатывать антенные устройства с управляемыми видами поляризации (при неиземнои антенной .конструкции), позволяющими обеспечивать "поляризационное слежение", обеспечивающее максимальный энергетический контраст.

3. Выбирать методы.поляризационной сэлекции и соответствующие поляризационные селекторы для селекции тех или иных классов радиолокационных целей.

4. Разрабатывать поляризационные селекторы с учетом специфики характеристик цели и помехи.

5. Определять плотность распределения вероятностей модулей и аргументов элементов матрицы рассеяния радиолокационных целей..

Апробация. Результаты работы докладывались на Всесоюзной НТК "Проблемы совершенствования процессов технической эксплуатации авиационной техники, инкенерно-авиационного обеспечения полетов в условиях ускорения научно-технического прогресса'Ч Москва 1938 г.);' ВнутриЕузоЕСкой НТК "Научно-технический прогресс в инженерно-техническом обеспечении полетоЕ в Га" (Моста, 1989 г.); Всесоюзной НТК "Научно-технический прогресс и эксплуатация воздушного транспорта" (Москва, 1990 г.); Виутривузовской НТК "Обеслечиние безопасности полетов и экономичности эксплуатации воздушного транспорта" (Москва, 1991 г.); на Всесоюзной НТК "Методы и средства дистанционного аондиродония атмосферы в интересах авиации" (Киев, 1991 г.); на кафедрэльних семинарах Ш1КГЛ.

рублиюции. Основные результаты работы наложены и 8 печатных работах и отчетах по НИР.

Внедрение. Результаты работы внедрены в Государственном научно-производственном предприятии "Радар ШС , в Глав. УРЭО ДВТ Минтранса РФ, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.

Стоустура и объем диссеотанионной работу. Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и списка используемой литературы. Она содержит страниц, включает рисунков. Список используемой литературы содержит наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во рведении дается обоснование актуальности работы, формулируются задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы, дается краткое изложение работы.

Первый раздел диссертационной работы посвящен анализу общих принципов поляризационной селекции радиолокационных сигналов.

Проблема селекции, как правило, возникает после принятия решения об обнаружении цели на фоне собственных.шумов. Речь идет о необходимости дать ответ на вопрос, какая из множества целей находится в элементе разрешения РЛС. Если число целей равно ш, то необходимо произвести различение m соответствующих сигналов, на фоне шумового воздействия n(t). В этом случае полезный сигнал

Ш U)

SCt) можно представить в виде S(t)=S(t,A }=ZA/Sj(t,г .. • ). где А, - параметр, определявший, какой из сигналов Sj(t) присутствует на иходе приемника, в момент t,/и1 - »-ый параметр сигнала S|(t). Параметр Л; случаен и равен О или 1, при атом если одно из А^ » }., то все остальные равны О. Задача различения сводится к определению такого номера j, при котором А; ■ 1. (В работе проводится различение двух сигналов, ь этом случае Ai -А . Ai- I -X . Принятие гипотезы >\ 0, или А - 1 должно ос-hühitiatt jh на основе анализа .тношения правдоподобия). Для задач подобного рода характерно Олилкое расположение максимумов .-лот-

¡етствующнх плотностей вероятностей, а также то, что в отличие г* задач обнаружения йипШов На фоне собственных шумов, увели-:ение энергии, а равно, как и различные способы модуляции и ма-мпуляции зондирующего сигнала не влияют на взаимное расположение названных выше ПРЕ Г^квально единственная возможность вменения этого взаиморасположения может быть связана с изменены вида поляризации излучаемой волны, что открывает путь к азличного рода методам поляризационной селекции (ПС). Кроме тоо, коль скоро радиолокационная цель, в каждый момент'времени шисываемая при помощи шести параметров, образующих шестимэрный 1ектор Б, различение целей может идти по какой-то линейной или единейной комбинации этих элеыэнтов-Р(Б), при которых различе-!ие этих целей по заданному критерию будет наилучшим. Нахожде-1ие такого функционала представляет одну из центральных задач ПС.

В дальнейшем доказывается, что практическая реализация ПС :водится к построению либо, так называемого "волнового" приемни-а, где различение целей осуществляется в ходе обработки измеряемых сигналов в двух ортогональных каналах, либо так называемого "целевого" приемника, где такое различение осуществляется в ходе 1бработки сигналов, пропорциональных элементам матрицы рассеяли радиолокационных целей. Проводится анализ особенностей раСо-■ы обоих классов приемников.

Для "волнового" приемника основной характеристикой выступа-!Т комплексный электрический вектор £ Показывается инвариант-гость четырехмерной плотности распределения вероятностей мгно-юнных значений его квадратурных ортогональных составляющих к :мене поляризационного базиса (ПБ). В частности, это означает, гго, если в каком-то ПБ названная ПРВ представляет собой четы-¡ехмерный Гауссов закон, то он останется таковым же и в любом [ругом ПБ. Отсюда вытекает гауссовость для каждой из четырех пмпонент в любом ПБ. Более того, для таких случаев законы Рзлея I Райе а для огибащих также сохранят свою инвариантность к смене Ш. Справедливыми оказываются и обратные утверждения, если в кати- то ПБ одна из четырех компонент мгновенного значения компактного вектора Е: имеет гауссову ПРВ, то гауссовыми будут соот-

Г - б - • ■. - - .

ветствуюдае законы и для остальных компонентов вс всех ПВ без ' исключения.

С тех яе позиций проводится анализ "целевого " приёмника.

• Центральным является доказательство аналогичной инвариантности к.

* сменен ПБ восьми>Зерной плотности распределения вероятностей для мгновенных значений действительных И мню/ых частей элементов

;' матрицы рассеяния. Здесь тагане оказываются справедливыми все выше приведенные рассуидення, касающиеся инвариантности ПРВ для комплексного вектора Е-.

Центральное место при реализации Методов голяризационной селекции принадлежит априорным знаниям о статистических характе-. ристиках элементов матрицы рассеяния радиолокационных целей. В ■ ,связи с исключительно дорогой стоимостью экспериментов по опре-■' делений этих характеристик важную роль играют теоретические - оценки искомых плотностей распределения вероятностей. Для провэ-1 дения таких оценок необходимо построить такие математические модели, которые позволяли бы допускать естественные, физически достаточно обоснованные предположения о характзре изменения некоторых базовых величин. В работе ^а основ/ приняты известные формулы А. И. Козлова, Напрямую свяэыгающке собственные значения матриц рассеяния радиолокационных целой с элементами этих матриц в проигвбльном поляризационном базисе, и их представление на сфере Пуанкаре. В этом случае случайный характер изменения -элементов матрицы рассеянцп как основных, так и кроссовых порождается случайным изменением координат собственного поляризационного базиса на этой сфере и ее диаметра. Именно такое построош,с> обеспечивает удовлетворение названным требованиям к искомой математической модели. Ээлее того такой подход дает возможность выразить как основные, так и кроссовый элементы матрицы рассеяния череа одни и Те яг случайные величины. В работе в естественном предположении гаусссвого вакона распределения собственны» значений матрица рассеяния и равномерного закона распределения ^РРДИк'ат собственного базиса решается задача о нахождении плотностей распределения основных (5,г и кроссового (512) эJ:«,'.fo^' гр|1 матрицы рассеяния. .

w. • —J

- 9 ~ I .

В результате пряма вычислений удается ПРВ для модуля 5 ц и • ¡оответств?нно ЬгТ ВыраайтЬ" через произведение' самого модуля-,-исспоНелты от минус его квадрата и функции Бесселя нулевого по->ядка. В качестве параметров выступает парзметры исходных вагонов. Для ПРВ аргумента Ф элементов S„ и 5ц искомое выражение (осот еще более сложный характер. Оно содержит произведение исспоиенты от cos* Ф и функции параболического цил!1ндра минус дорого порядка.

Что касается плотности распределения вероятностей шдуля и ьргумента элемента SK( то выражения для них также удается выра-шть в конечном риде. В этом случае для 21г искомая ПРВ выражает-:я через произведение самого модуля, экспоненты от минус его свадрата и логарифма от этого модуля. ПРВ для аргумента S ^ щредедяется логарифмом его синуса. В дальнейшем проводится шпроксимация подученных выражений и даются оценки их отличия )Т законов Райе а и Рэлея.

Второй раздел посвяирн ряду существующих и разработке новых «етодов поляризационной селе!сции радиолокационных целей. Расс-ютрение начинается с анализа, так называемых, геометрических ' методов. В качестве определяемых поляризационных параметров кс-юльзустся угол эллиптичности и угол ориентации принимаемой радиоволны. При этом его поляризационное состояние иллюстрируется ia сфере Пуанкаре, а на поляризационной капте отображается поля-зизационное пространство. Проводится анализ алгоритт обработки ;ля данного случая и показывается, что предназначенный для этого ¡роцессор должен работать таким образом, чтобы поляризационное :оетояние передатчика и приемника адаптировались для подавления 1ринятих мешающих 'сигналов с последующим выигрышем в отношении |ель /помеха Величина выигрыша и приемуврство этого процессора увеличивается путем пршленения адаптивного фильтра поляризацион-юго подавления и адаптивного, процессора линейного поляризацио.ч-ювекторного преобразования, позволяющего фиксировать соответствующий режвкторкый фильтр в выбранном положении поляригацион-юго пространства вместо адаптации его положения к неблаюг.олуч- |

Г -10- "

ным условиям. Эффективность рассматриваемых методов широко ил-_ лштрируется^ЛЬкаэано, . .что для лаиПплек типичных случаев лозф:. фициент улучшения составляет от 8 до 12 дЕ .....

Следующими в работе рассматриваются, так называемые, мат-, ричные методы поляризационной селекции. Их суть состоит в том, что сначала определяют мощность рассеянной радиоволны, предполагая известной матрицу рассеяния радиолокационной цели и мощность излучаемой радиоволны. Далее производится максимизация соответствующей Эрмитовой формы, в результате чего определяется оптимальная поляризация для излучаемой радиоволны. Для этой поляризации излучаемой волны вновь рассматриваются параметры рассеянной волны, после чего можно обеспечить согласование по поляризации рассеянной радиоволны с поляризационными характеристиками приемной антенны. Использование таких методов наиболее аффективно при селекции таких радиолокационных целей, когда наблюдатель обладает достаточно полными априорными знаниями об обоих или, по крайней мере, одной целях.

Третьим из анализируемых методов поляризационной селекции рассматривается метод параметров Стокса, когда последние выступают в качестве измеряемых величин. Здесь суть сводится к определению вспомогательных множителей Лагранжа, играющих роль весовых коэффициентов при обработке сигналов в ортогональных радиоканалах. Использование данного подхода позволяет получить оптимальные по критерию максимума отношения сигнал/помеха значения параметров Стокса как передающей,, так и приемной антенн. Показываются пути построения Стоксовых матриц, которые в дальнейшем используются для построения поляризационных образов в пространстве: угод эллиптичности, угол ориентации и ЭПР. Качество поляризационной селекции существенно зависит от числа проведенных измерений, т: е. от выборки.

Одно ив центральных мест а работе занимает анализ и тгосле-душдя разработка методов поляризационной селекции, основанных на управлении радиолокационным контрастом и ортогонализации сигнала и помехи. Рассмотрение первого из них начинается с решением | задачи радиолокационного контраста, в ходе которого получено от-

г" -и- * ^

ношение мощностей, отраженных от двух радиолокационных целей с известными матрицами рассеяния. Особенность финального соотношения состоит в том, искомое отношение выражено через инварианты названных матриц - полные ЭПР, степени поляризационной анизотропии и угла между образами Зелей на сфере Пуанкаре. Проводится айализ изменения этого отношения от вида поляризации облучающей цели радиоволны. Это открывает путь к построению специальных селекторов, работающих в режиме максимизации контраста Полученные соотношения позволяют оценить диапазон возможных изменений контраста, который для класса средних целей находится на уровне 10 -15 дБ, а для так называемых вырожденных целей существенно превосходит названный уровень.

Если метод управления радиолокационным контрастом опирался яа использование "целевого " приемника, понятие о котором введено в разделе 1, то метод ортогонализации, используемый для поляризационной селекции, опирается на "волновой" приемник, понятие о котором также введено в разделе 1. Суть метода ортогонализации состоит в использовании такого вида поляризации, при которой поляризация волны, отраженной от цели, содержащей помеху, будет ортогональна собственной поляризации приемной антенна В качестве искомого соотношения здесь выступает отношение мощности поляризованной составляющей полезного сигнала - Рс, несущего информационную нагрузку, к сумме мощностей поляризованной составляющей помехового сигнала - Рп и неполяризованвых составляющих полезного в помехового сигналов и собственных шумов приемника (Ршя). Наказывается, что искомое отношение $ достигает своих экстремальных значений в том случае, когда изображения поляризованных составляющих полезного и помехового сигналов и собственная поляризация лежат на одном большом круге на сфере Пуанкаре. Если обозначить через 2 )Г угловое расстояние между поляризованными составляющими помехи и полезного сигнала, то максимальное

значение для отношения а примет весьма компактный вид: ■ '«"»-< 1 +

г

- 12

1

Как видно наибольший выигрыш реализуется в случае ортогональности поляризованных компонентов полезного сигнала и помехи (f- 90"), наименьший при их совпадении (f- 0°), В работе детально анализируется ситуация, когда все входящие в искомое отношение величины меняются случайным образом с течением времени. Для случая, когда закон изменения угла Г носит Гауссов и равномерный характер получены в конечном виде плотности распределения вероятностей величины q пах и найдены для него математическое ожидание- q max и дисперсия fy max. Дяя Гауссового закона они имеют вид:

При устремлении дисперсии угла Г к бесконечности написанные формулы начинают соответствовать равномерному вакону изменения угла (. В работе приводится также детальный анализ влияния изменения мощности полезных и помоховых радиоволн, их степеней поляризации, а такие поляризации излучаемой волны. Из-аа исключительной громоздкости полученных соотношений их явный, вид здесь не приводится. Анализ полученных формул дал возможность указать границы целесообразности использования рассматриваемого метода поляризационной селекции.

Поляризационно-модуляционный метод селекции основан на том, что матрица рассеяния цели или какие-то линейные комбинации ее элементов являются известными. Наиболее распространенной здесь является ситуация, когда одна из целей относится к классам, близким к поляризационно-предельным (изотропным или вырожденным). Для поляризационно-изотропных целей изменение поляризации излучаемой радиоволны не скажется на мощности отраженной волна Наличие на фоне таких целей иных целей , отличных от изотропных, вызовет модуляцию величины отраженной мощности на частотах поляризационного, сканирования, что открывает путь к реализации соот-поляризациониых селекторов. Если в качестве фонт.,

г

13

напротив, выступает вырожденная цель, то селекция полезного сигнала связана с изменение« глубины модуляции.

В работе проводится анаша ситуации для произвольных фонов и целей. Показывается, что одно из центральных мест здесь принадлежит антенному устройству, которое должно, сохраняя свою конструкцию, иметь возможность быстро, по заданному закону изменять свой поляризационные характеристики. Варианты функциональных схем таких антенн приводятся в работе. Показывается, что выигрыш при поляризационном сканировании пропорционален глубине модуляции принятого сигнала, длительности пачки и частоте сканирования поляризации и даются рекомендации по формированию зондирующего сигнала.

Наличие второго канала дает возможность прог.ести определенную компенсацию помехового! сигнала в одном из каналов путем нахождения его в другом. На/этом основаны поляризационно-компенсационные методы. Идея поляризационной компенсации состоит в том, чтобы , подавая в противофазе сигнал из второго канала в первый и изменяя коэффициент! усиления передаточного тракта, добиться уменьшения помехи в основном канале. Поляризационная компенсация, с одной стороны, уменьшает влияние помехи, с другой, -увеличивает мощность шума в исследуемом канале, что свидетельствует о наличии некоторого значения коэффициента усиления, при котором отношение полезный сигнал/(помеха + шум) будет максимальным. В работе приводится решение этой задачи и найдена зависимость Этого коэффициента от вида полярксяции. Анализ показывает, что этот . вид селекции , наиболее эффектиьен для целей, у которых поляризованные составляющие отраженных радиоволн близки к ортогональным. Решается еще одна задача- какова должна быть поляризация антенны, чтобы на ее выходе отношение сигналДшум + помеха) было бы максимальным. Это дало возможность доказать, что максимальный выигрыш, получаемый вследствие правильного выбора поляризационных характеристик антенн, тождественен аналогичной величине при использовании поляризационно-компенсационно! о мето-

да.

1_

J

г

Третий раздел посвящен решению проблем, связанных с синтезом поляризационных селекторов" радиолокационных целей! '"'" .....

Аналогично тому, как это делается в классической радиолока-, ции, проблемз синтеза рассматривается на примере двух случаев -сигнала с полной априорной информацией о его параметрах и сигнала, для которого такая информация в полном объеме не известна

Для первого случая рассматривается аддитивная смесь п частично- поляризованных полезных и п частично-поляризовнных помехо-вых сигналов, а также собственных шумов приемника Затем вычисляются (пц + п„ ) отношений првдоподобия, которые в дальнейшем сравниваются с пороговыми значениями. Показывается, что логарифм отношения правдоподобия представляет собой сумму двух слагаемых, первое из которых пропорционально логарифму, определителя суммы двух матриц: корреляционной матрицы квадратурных компонент отраженных сигналов в двух ортогональных приемных каналах -Я и единичной матрицы, умноженной на дисперсию собственного шума в одном канале - <?«Лц. Второе слагаемое представляет произведение четырех матриц 7г(б'м1 + В )" Я?, где У - вектор квадратурных компонент выходных сигналов двухканального приемника

В дальнейшем иллюстрация проводится дЛя типичного случая поляризационной селекции, когда поляризация излучения меняется от импульса к импульсу. В этом случае одно из упомянутых выше слагаемых в отношении правдоподобия можно выразить черев огибающие сигналов на выхода ортогональных каналов, а структура каж-.дого из каналов обработки селектируодего устройства определяется матричным произведением (£¿1 + 13) & Это позволяет построить блок-схему канала устройства обработки поляризционного селектора, содержащий УПЧ, квадратичный и фазовый детектор, фазовращатель, накопитель, а ташке схемы сложения, вычитания и умножения. При этом на накопитель подается ртроб дальности открывающий накопитель на время воздействия отраженного сигнала, соответствующего элементу дальности. После чего происходит сравнение с порогом, дахвдее возможность применять соответствующее решение.

Для оценки эффективности распознавания радиолокационных целой при использования критерия минимума среднего риска предлага-

атга_иеродьзовать.либо время наблюдения, необходимое для обеспечения заданной величины риска, либо величину среднего рискаГ У получаиэдея при заданном времени нблодения. Иллюстрация названной эффективности проводится на примере одного сигнала и одной помехи. Длл данного случая полученные соотношения, а соответственно и функциональные схемы поляризационных селекторов существенно упрощаются, сам же вектор ? будет представлять собой 4 N -мерный вектор, компонентами которого являются квадратурные составляющие сигнала в двух ортогональных каналах в N моментах времени, относящихся к каждому из N импульсов в пачке. Это дает . возможность получить в замкнутом виде характеристики распознавания, под которым:! понимается зависимость эффективности распознавания от параметров селектируемых сигналов.

Для расчета и построения названных характеристик используются представления на сфере Пуанкаре, опираясь на которые в зависимости от выбранного поляризационного базиса предлагаются -модификации поляризационных селекторов. Доказывается, что в первом особом базисе схема селектора вследствие диагональности матрицы обработки принимает самую простую структуру. Одним иа важных результатов является доказательство того факта, что для тех пар "сигнал»помеха", у которых совпадают первые особье поляризационные базисы, а матрицы обработки отличаются лишь скалярными множителями, оптимальным будет одно и токе селективное устройство. Для ' иллюстрации в работе приводится анализ большого числа типичных'для практики частных случаев, в частности, случай предельных радиолокационных целей. Важно обратить внимание на доказательство того факта, что двухканальный селектор, оптимальный в смысле, критерия Неймана-Пирсона,. обладает определенными инвариантными свойствами к небольшим изменениям координат собственных Поляризационных базисов цели и помехи, а также собственных значений их матриц рассеяния.

Дальнейшее рассмотрение проводится Для случая, когда нет полной априорной информации о пространственно-временной структуре принимаемого сигнала. В общем случае решение данной задачи выводит на исключительно сложные, плохо обозримые алгоритмы и (

•• - 16 -

как следствие к нереализуемым устройствам. С целью иллюстрации, возможностей поляризационной селекции для анализируемого случая в работе приводится решение, хотя и,/достаточно частной, но широко распространенной на практике задачи.' В общем случае поляризационная селекция в конечном счете сводится к задаче на проверку статистических гипотез, одно иа направления решения которых аак-лючается в поиске несмещенных и инвариантных правил обнаружения сигналов в условиях априорной неопределенности при достаточно известных видах функции распределения. : Оптимальными в данном случае правилами решения являются равномерные наиболее/ мощные (РНЫ) несмещённые и. РНЫ инвариантные правила Дня синтеза поляризационных селекторов, оптимальных в смысле указанных правил, проводится поиск таких характеристик отраженных сигналов, .'которое достаточно устойчивы при различных условшис радиолокационного наблюдения и отличаются для радиолокационных целей разных классов. В качестве такой характеристики в работе используется ширина эллипса мощности. При. этом под помехой ( класс Sin) понимаются объекты с почти нулевой шириной этого эллийса,' а под целью ( класс Лц) - объекты с шириной эллипса, существенно отличной от нуля. ' . ; - ' '.

Постановка задачи сводится, к следующему : при неизменной поляризации приемной антенны происходит череспериоднре изменение поляризации излучаемой волны с первой на вторую и вновь на первую и т.д. Требуется за фиксированное время наблюдения сигнала на выходе УПЧ в ортогональных каналах Y(t) определить, к какому из кл;1гсов Jin й Sin принадлежит наблюдаемый объект. В рамках рассматриваемых типов объектов задача селекции сводится к Про.-, верке гипотез о равенстве , или неравенстве мощностей сигналов 'на выходе линейной части приемника в некотором элементе дальности при той или иной поляризации. Предполагая, что флуктуации мгновенных значений отраженных сигналов при постоянной поляризации излучения РЖ! стационарны и подчиняются гауссовому закону, вместо ¥( t) моею рассматривать 2 N-мерную выборку квадратурных компонент В:г ых периодах (t»l,Ni, платность распределения всроят-¿озтей которых в качестве достаточных имеет две статистики -

сушы мошяостей в квадратурных каналах. Опираясь на РНМ критерий, получено решающее правило, а также расчитывается мощность самого критерия. На основании полученного.алгоритма разработано оптимальное устройство поляризационной селекции, которой при че-респериодном изменении поляризации представляет собой двух-канальное "устройство, обеспечивающее череспериодные накопление сигналов с выходов двух квадратурных детекторов. Об эффективности функционирования такого селектора можно судить по следующим данным. При вероятности ложного решения 0.1, вероятности правильного решения - 0.8 достаточно надежная селекция возможна при числе импульсов не менее 30 при отношении мощностей сигналов в каналах, равной 4, й не менее 100 при названном отношении, раь-ном 2.

. Дгтьнойшее рассмотрение проводится для обратной ситуации, когда поляризация излучения фиксирована, а прием осуществляется на две приемные антенны с поляризациями, выбранными таким обра-вом, что для целей из осуществляется равенство мощностей в

эртогональных каналах, а для цехей из -Ян этого равенства нет. Проводится анализ эффективности селекции устройством, аналогичным выше рассмотренному. Наличие корреляции сигналов между кана-шми даже при отсутствии межлериодной корреляции приводит к то-1у, что предлагаемое устрйство уже не будет оптимальным. Анализ юлученных зависимостей показывает, что наличие названной коррекция слабо влияет на эффективность поляризационной селекции, днако рассмотренный алгоритм является смещенным. С целыо обоб-рния полученных результатов проводится учет межлериодной керре-яции отраженных сигналов.

Следупфй этап анализа состоит в построении оптимального ля данного случая устройства В качестве исходных предпосылок ринято, что каждой приемной антенне соответствует свой приемный знал с общим гетеродином, оба канала идентичны, селектирующее ¡тройство подключено к выходу УПЧ обоих приемных каналов. Шхо-ггся плотность распределения вероятностей выборки квадратурных >мгюнентов. Показывается, что гипотеза о равенстве мощностей в ггогоиальных каналах трансформируется в гипотезу о независимое-

Г

1 - 18 -• . . . ти некоторых введенных векторов, что дает возможность подучить замкнутое выражение для искомых отношений правдоподобия и строго несмешанного критерия. Однако, несмотря на оптимальные свойства полученного критерия, его анализ в обычном случае крайне затруднителен. Проводится достаточно естественное упропение рассматриваемой задачи, и после.чего удастся синтезировать соответствую' щее оптимальное устройство поляризационной селекции. В работе находятся вероятности правильного и ложного решения, а также мощность рассматриваемого критерия. Показывается, что оптималь-: ная в смысле РЩ несмещенного критерия селекция достаточно эффективна при отношениях мощностей в' каналах более, чем 2-3 дВ. .

. Для повышения энергетического контраста радиолокационных сигналов на фоне мешающих отражений могут быть использованы селектирующие свойства поляризации как приемной, так и передающей антенн. В работе рассматриваются методы определения оптимальных "поляризаций излучения и приема РЛЗ при известных деполяризующих свойствах радиолокационных целей.

Рассмотрение начинается с решения задачи по оптимизации поляризации приемной антенны с учетом того, что поляризация переданной антенны фиксирована. Под оптимальной понимается такая поляризация, при которой обеспечивается максимум отношения сигнал/ (шум + 'помеха). Решение задачи проводится с использованием представления на сфере Пуанкаре первого и второго особого поляризационных базисов, а также нахождения собственных значений соответствующих матриц, описывающих процессы взаимодействип волны с целью. Показывается, что изображение оптимальной поляригацш; приемной антенны лежит па большой окружности, проходящей чер<?з изображения собственных базисов "сигнала" и "помехи". При зтом доказывается, что целесобразность поиска и выбора оптимальной поляризации приемной антенны зависит от отношения собственных значений матрицы когерентности отраженной волны. Приводятся формулы, позволяющие оценивать эффективность такого метода поляризационной эелекции. Показывается, что векторы поляризации приемной антенны, при которых искомое отношение достиг п-п | экстремальных аначений, в общем случае не ортогональны.

Г - 19 -

При решении противоположной задачи, когда антенная система —РИС позволяет ппугогствить. полный поляризационный прием, а поля^ ризация передающей антенны может изменяться, также производится максимизация отношения ситнал/(помеха+шум). Данная задача оказывается аналогичной предыдущей, что позволяет использовать ранее полученные результаты и соотношения. Показывается, что и в данном случае изображения оптимальной поляризации излучения РЛС на сфере Пуанкаре также лежат на большом круге, проходящем через собственные базисы матриц Грейвса для цели и помет Вводился понятие степени поляризационной эффективности передающей антенны, как функция собственных значений ее матрицы когерентности, и выводятся формулы для оценки этой эффективности через параметры передагацгй и приемных антенн, а также через собственные значения матриц рассеяния цели и помехи. Показывается, что векторы поляризации передающей антенны, при которых искомое отношение достигает экстремальных значений, не ортогональны между собой. Важно отметить, что оптимальная поляризация РЛС при фиксированной поляризации приема У совпадает с оптимальной поляризацией приема РЛС при фиксированной поляризации излучения У, что доказывает поляризационную взаимность передающей и приемной антенн в зада--чах поляризационной селекции.

В заключении приводятся основные результаты работы:

1. . Сформулирована в общем виде задача поляризационной селекции радиолокационных целей и разработаны пути ее решения.

2. ГЬказано, что во всех случаях задача ПС сеодится к построению , так называемых, "волнового" и "целевого" приемников и проведен общий анализ их работы.

3. Доказана инвариантность плотности распределения вероятностей комплексного электрического вектора к смене поляризационного базиса и инвариантность плотности распределения вероятностей комплексного вектор-д цели к смене поляризационного базиса.

4. Решена задача по определению совместной плотности распределения вероятностей для модулей и аргументов основных и ,

Г - 20 - "1

кроссового элементов матрицы рассеяния радиолокационных целей, также соответствующих одномерных вакЬнов.: .....

5. Проведён детальный сравнительный анализ следующих методов поляризационной селекции радиолокационных целей: геометрического, матричного, параметров Стокса, ортогонализации, поляри-вационно-компенсационного,' управления радиолокационным контрастом. '

в. Решена задача по определению радиолокационного контраста двух целей и двух частично поляризованных радиоволн на фоне собственных шумов приемника.

'■> 7. Определена структура и эффективность оптимального алгоритма поляризационной селекции йри достаточно полной априорной информации о параметрах отраженных сигналов, позволяющего ва фиксированное время наилучшим образом, в рамках критерия Неймана -Пирсона, обнаружить и классифицировать страдающую цель.

8. Доказана квазииньариантнссть оптимального (по критерии Неймана-Пирсона) поляризационного селектора к отклонениям параметров сигналов.

0. Произведен синтез оптимального устройства поляризационной селекции при череспериодном изменении поляризации излучения РЛС и неполной априорной информации об отраженных сигналах.

10. Произведен - .синтез оптимального и - квазиоптимального двухканальных устройств поляризационной селекции сигналов с неполной информацией об их свойствах.

11. Решена задача по определению вида поляризации приемной и передающей антенн РЛО, обеспечивающей максимальный энергетический контраст. >'.''■

12. Установлена зависимость между характеристиками поляри-ваций приемной антенны, матрицами рассеяния цели и помехи, и поляризацией передающей антенны, , обеспечивапдей максимальный" энергетический контраст.

Полученные результаты позволяет сформулировать следующие выводы:

1. Управление,поляризациями передающей и приемной антеннами .

позволяет обеспечить управление взаимным расположением плотностей распределения вероятностей выходных сигналов (их мгновенных значений и огибашда), дающих возможность улучшать различение радиолокационных целей даже в тех случаях, когда увеличение энергий излучаемого сигнала, "Л также различного рода его модуляция или манипуляция такого, аффекта обеспечить не могут.. П)ри любом способе поляризЫргонной селекции их реализация сводится к построение либо приемника, где различение целей осуществляется в ходе обработки измеренных в двух ортогональных каналах сигналов, . либо приемника, где такая процедура осуществляется в каналах, имеющих на выходе сигналы, пропорциональные элементам матрицы рассеяния. .■'',-

2. Четырехмерная плотность распределения вероятностей мгнб-йенных значений квадратурных ортогональных составляющих электрического вектора инвариантна к смене поляризационного базиса (ГШ). В частности, это означает, «иго если в каком-то ПВ названная ПРВ представляет собой четырехмерный Гауссов закон, то он останется таковым из и в любом другом ГШ. Отсюда вытекает гаус-говость для,каждой из четырех Компонент в любом. ПЕ Более того, вля таких случаев законы Радея и Райса для огибащих также сохраняют двою инвариантность. Справедливыми оказываются и обратные ¡ггверхдения, если в каком-то ПВ один из четырех компонентов мгновенного значения комплексного вектора Б имеет Гауссову ПРВ, го гауссовыми будут соответствующие адеокы и для остальных ком-тонентов во вех ПВ без исключения.

3. Восьмимерная ПРВ мгновенных значений действительных и <нимых частей злементов матрицы рассеяния радиолокационных целей швариантна к смене ПК В частности, если в каком-то ПВ назван-гая ПРВ представляет собой Гауссов закон, то она останется тако-!0Й и в любом другом ПБ.

А, Плотность распределения элементов матрицы рассеяния в ¡редположении гауссового закона распределения собственных эначе- . 1ий элементов матрицы рассеяния и равномерного закона распределил координат собственного базиса хорошо аппроксимируется 8а-пном Райо-\ для модулей основных элементов, закон Рэлея для |

Г -22 - . ,: ' Т

модулей кроссового элемента. Что касается распределения аргументов названных элементов, то соответствующие законы близки к законам, описывающим законы рапределения фаз в огибающих сигнала при наличии и отсутствии сигнала в шуме.

б. Методы поляризационной селекции, основанные на построе- ■ нии и последующем использовании адаптивного фильтра поляризован- . ного сигнала, оказываются весьма эффективными в случаях селекции сигналов на фоне поляризованной коррелированной помехи и белого гауссочог'о шума в приемных каналах, если известен закон ¡вменения фавора в падаюшей электромагнитной волне. В этих случаях коэффициент уличшения достигает значений от 8 до 12 дБ.

6. Радиолокационный контраст двух целей определяется отношением их полных ЭПР, а также функционально аависит от их степеней поляризационной анизотропии и взаимного расположения собственных поляризационных базисов ятих целей и приемно-передавшей антенны. Для "средних" целей диапазон рассматриваемого контраста может достигать 20 дБ по сравнению с упомянутым вше отношением полных ЭПР.

?. Радиолокационный "контраст" отраженного сигнала, несуще*' ■ го полезную информацию на фоне аналогичного поыехового сигнала, неполяризованных составляющих помехи и сигнала,■ а также собс- .. тзенных шумов приемника определяется отношением их мощностей- И функционально зависит как от доли мощности поляризованной составляющей помехового сигнала в общей мешающей мощности, так и от ... угла между изображениями поляризованных составляющих сигнала и помехи на сфере Пуанкаре.

8. .При малых значениях мощности поляризованной составляющей . помехового сигнала среднее значение выигрыша, который может быть реализован вследствие правильного выбора поляризации, близко к отношению мощности, приходящейся на информационную часть полез-. . ного сигнала, к общей мощности "вредных" сигналов. С ростом мощности поляризованной составляющей помехи названное отношение уменьшаьтс« в д»-а раза. Данный вывод относится к случаю равномерного распределения угла между поляризованными составляющим:: сигнала и помехи. При Гауссовом характере такого изменения упо-

мянутый средний выигрыш при малой мощности помехи остается таким же, а с ее ростом скорость падения этого выигрыша происходит несколько быстрее, однако значение предельного падения в два ра за остается прежним.

9. При малых степенях поляризации помеховой составляющей методы поляризационной селекции, основанные на принципах ортого нализации, оказываются одинаково эффективными независимо от вида поляризации поляризованных составляющих как сигнала, так и помехи. Если мощность полезного сигнала больше чем в два раза щ«вытает мощность помехового сигнала, то независимо от ьиди поляризации их поляризованных компонентов поляризационная селекция, основанная на выше названном методе оказывается одинаково зффек тивна.

10. Суть метода поляризационной компенсации состоит в том чтобы подавая в противофазе сигнал из второго канала в периий и изменяя коэффициент усиления передаточного тракта добиться уменьшения помехи в основном канале. Однако при этом одновременно с упомянут1Ш уменьшением помехи происходит рост шумов "в ос новном канале. Этот метод наиболее эффективен для помех, чья поляризованная составляющая близка к ортогональной по отношению к такой же составляющей у полезного сигнала. Предельный выигрыш, получаемый при использовании поляриэационно-компенсационнсги метода поляризационной селекции тождественен выигрышу, получаемому вследствие правильного выбора поляризации антенны.

11.- Оптимальный селектор о общем случаи представляет собой устройство, состоящее из двух частей: блока обработки, в котором вырабатываются сигнала пропорциональные отнсиныым правдоподобия, и блока ¡ '-тения, в котором вырабатывается само решение. При птом'В случае полной априорной информации, об отраженном сигнале структура каждого из каналов блоки гбробстки селектирующего уст-ройш'Ра определяется мирик- й, представляют й собой проивьедени> обратной мат; шш шт нгиимоотеи шума I* от[>оготш них и квадратурных кинал&у на корреляционную матрицу кьадр^т/рных компонент отраженных ег;■«.шов ь га-ух ортогональных канала::. Ии [ ица ( ботки сигналы; с; полней априорной инфч и -ли^-й об их овойстнах ь

Г т 24 - 1

первой специальном поляризационном базисе (этот базис характерен тем, что хйшои- рпптй|:"гртг}упгтия ?трму Раяису, д т»^*» поляр»яя-циям сигнала и помехи, на сфере Пуанкаре лежат на одном большом : круге) всегда диагональна, а поэтому в атом базисе селектирующее • • устройство будет иметь наиболее простой вид.

12. Для пар "сигнал-помеха", у которых совпадают "изображения" первого специального поляризационного базиса, матрицы обработки отличаются лишь множителем, одно и то же селегагируицез устройство для сигналов с полной априорной информацией будет оптимальным. Это, . в частности справдливо для всех пар "сигнал-помеха", которые могут быть переведены друг в друга поворотом сферы Пуанкаре вокруг диаметра, соответствующего названному поляризационному базису, при выполнении указанных требований к матрице обработки.

13. Для сигналов с .полной априорной информацией об их свойствах эффективность селекции возрастает с ростом как степени поляризации полезного сигнала, так и отношения сигнал/шум. При полностью неполяризованном сигнале и равенстве интенсивностей сигнала и помехи поляризационная селекция цели от помехи невозможна ч

14. Для сигналов с неполной априорной информацией об их свойствах оптимальное устройство поляризационной селекции при череспериодном изменении 'поляризации излучения РЛС -представляет собой двууканальное устройство, где обеспечивается череспериод-ное накопление сигналов с выходов двух квадратичных детекторов. При этом на оба накопителя подаются два стробирующих сигнала, один из которых открывает накопитель на время действия отраженного импульса, соответствующее выбранному элементу дальности, а второй - обеспечивает заданное время накопления. Об эффективности функционирования • тагого селектора можно судить по следующим, данным. При вероятности полного речения -0.1, вероятности правильного решения - 0.3, достаточно надежная селекция воаможна при числе импульсов не менее 30 при отношении мощностей сигналов в каналах, равной 4, и не менее 100 при названном отношении равном 2.

Г -25- * -1

15. Оптимальная в смысле равномерно наиболее мощного несмещенного критерия Поляризационная селекция сигналов с неполной априорной информацией об их свойствах достаточно эффективна при отношениях дисперсий сигналов в ортогональных каналах на уровне .не ниже 2 - 3 дБ. ■ О ■

16. "Изображение" на сфере Пуанкаре поляризации приемной антенны, обеспечивающей максимальный энергетический контраст, ле-' жит на большом круге, проходящем через изображения собственных базисов "сигнала" и "помехи". При этом векторы поляризации приемной антенны, при которых достигаются экстремальные значения энергетического контраста, в Общем случае не ортогональна

17. "Изображения" на сфере Пуанкаре поляризаций передающей антенны, при которых обеспечиваются экстремальные значения энергетического контраста, лежат на большим круге, проходящем черев изображения собственных ба?исов матриц Грейвса обнаруживаемой и помеховой целей. При этом в общ?« случае обе экстремальные поляризации ле являются ортогональными. Их ортогональность имеет место при равенстве собственных значений упоминавшихся матриц Грейвса, при совпадении и ортогональности их собственных базисов. Оптимальная поляризация передаюпрй антенны РЯЗ при фиксированной поляризации приемной антенны совпадает с оптимальной поляризацией приемной антенны РЛС при фиксированной поляризации передающей антенна

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Исаева О. М. Свойства характеристик радиолокационных целей. В сборнике научных трудов: Передовой производственный опыт и научно-технические достижения, рекомендуемые министерством для внедрения в гражданской авиации. Москва, УГГИГА, 1991, 4 стр.

2. Исаева 0. М. Координатные компоненты при широкополосных сигналах. В отчете по НИР "Методы поляризационной селекции радиолокационных сигналов", г/р N 019?.00а3674, 27 стр.

3. Козлов А. И. , Логвин А. И., Исаева О. И. Повышений контрас-

I_____!

к

г

26 -

~1

та поверхностных геофизических образований в радиолокации и радиометрии. В сборнике научных трудов: Методы и средства дистанционного зондирования атмосферы в интересах авиации, Киев, КИИ-ГА, 1991, 6 стр. ,

4. Исаева О. М: Вероятностное описание геометрических пара- . метров поляризованных радиоволн (Негауссовский случай). В отчете по НИР "Методы поляризационной селекции радиолокационных сигналов", г/р N 01020033674, 17 стр.

Б, Исаева О. М. Отражение от флуктуирующих отражателей. В отчете по НИР "Методы поляризационной селекции радиолокационных сигналов", г/р N 01920033674, 9 стр.

6. Козлов А. Л , Исаева О. М. Моделирование статистических характеристик радиолокационных целей. В сборнике научных трудов КИИГА под редакцией проф. Беляевского ДО., Киев, 1991, 6 стр.

7. Исаева О. М. Синтез оптимального приемника поляризованных рздиоролн. В отчете по НИР "Методы поляризационной селекции радиолокационных сигналов", r/p N 01920033674, 10 стр.

В. Испева О. М. Особенности обработки поляризованных радиоволн. В отчете по НИР "Методы поляризационной селекции радиолокационных сигналов", г/р N 01920033S74, 16 стр.

Соискатель

Исаева О. М.

L

Л