автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Одноканальные методы поляриметрии в задачах обнаружения радиолокационных целей по поляризационным признакам на фоне подстилающей поверхности

Г Г Б ОД

1 о, .«-л

ТОМСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

на правах рукописи ШОШИН ЕВГЕНИЙ ЛЕОНИДОВИЧ

ОДНОКАНАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛЯРИМЕТРЫ? В ЗАДАЧАХ ОБНАРУЖЕНИЯ ■ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ЦЕЛЕЙ ПО ПОЛЯРИЗАЦИОННЫМ ПРИЗНАКАМ НА ФОНЕ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ

05.12.04 - радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени'кандидата технических наук

Томе:; -1935

Работа выполнена в Томской государственной академии снст управления и радиоэлектроники

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник

Бадулин II.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор технических наук

Масалов Е

кандидат технических наук

Красненко Н

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ : 46 Центральный Науч! Исследовательский Институт Министерства Обороны

Защита состоится " 25 " июня 1995 г. в 9 часов 00 минут заседании специализированного совета Д 063.05.03 по защ диссертаций на соискание ученой степени кандидата технических nayi Томской Государственной академии систем управления радиоэлектроники (634050, Томск, пр.Ленина, 40 ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТАСУРа.

Автореферат разослан " 13 " мая 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

кандидат технических наук.

доцент

Кузьмин А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность вроблемЫ. Результаты теоретических и экспериментальных исследований последних лет в облает» радиолокационной поляриметрии показывают, что учет векторных свойств рассеянных радиолокационными объектами сигналов позволяет расширить признаковое пространство цели, что создает физическую основу для решения задач обнаружения и селекции пели на фоне отражений от подстилающей поверхности. Главная особенность практического использования методов' радиолокационной поляриметрии заключается в том, что. они позволяют увеличить информативную способность радиолокационных систем при дистанционном зондировании различных объектов. Важным обстоятельством, влияющим на формирование признакового пространства, является представление в параметрической форме характеристик рассеяния радиолокационных целей. Измерение поляризационных параметров требует реализации все более совершенных методов, позволяющнх прямым или косвенным образом оценить и отобразить эти параметры.

Реализация двухканальных методов пггтионоК поляриметрии предполагает наличие двух каналов, облалагощнх идентичными характеристиками при формировании и обработке сигналов СВЧ диапазона. Последнее существенно усложняет хапегрукшиз приемопередающей части РЛС и системы обработки инфоризгш», следствием этого является высокая стоимость изделия. В то :хе вргия известные методы поляриметрии, разработанные применительно к олноканапышн активным РЛС, обладают высокой эффективностью при решении ряда прикладных задач. В частности к таким задачам относятся; дистанционное зондирование метсобразованин, дистанционное измерение состояния поверхности моря, селекция целей по поляризационным признакам.

Достоинствами одиоканальных .методе:; являются простота технической реализации, возможность их применения при модернизации действующих РЛС, возможность совмещения режима поляризационной обработки и работы системы СДЦ. При этом недостаточно изученными остаются запросы, связанные с измерением поляризационных характеристик целей при использовании пожгризационно манппулированных сигналов. При решении навигационных задач требуются дополнительные исследования, ставящие епоей целью создг те маркерных радиолокационных знаков, поляризационные свойства которых позволяют их обнаруживать на фоне подстилающей поверхности.

Из вышеизложенного следует, что в насто.ипег ¡тремя существует актуальная илу чно-тжн.'чсская проблема приме:;;"'"'; ггзлярнзппионныл признаков в задачах обнаружения радиолокаш:я*шш£ целей на фойе отражений от подстплаю:цг;1 поверхности, сусйгетугоихая проблема

охватывает комплекс вопросов, связанных с формированием пространства пргонаков, алгоритмов измерения параметров, выработкой правил принятия решений, проведений исследований поляризационных характеристик целей различного происхождения, разработкой структур одноканальных поляриметрических РЛС с улучшенными тактико-техническими характеристиками.

Цел£>ю диссертационной работы является

]. Разработка манипуляционных способов и устройств измерения поляризационных характеристик радиолокационных целей.

2. Исследование характеристик обнаружения радиолокационных целей по поляризационным признакам на фоне подстилающей поверхности.

3. Макетная реализация обзорного поляриметра и проведение экспериментальных исследовании.

• Научная новизна работы состоит в следующем :

1. Предложены новые способы измерения поляризационных характеристик радиолокационных целей.

2. Разработаны структуры одноканальных РЛС манипуляционного типа, позволяющие производить оценки инвариантных и динамических поляризационных характеристик радиолокационных целей.

3. Разработаны правила принятия решения и методика расчета характеристик обнаружения радиолокационных целей по поляризационным признакам на фоне подстилающей поверхности.

4. Получены результаты проверки иа согласие теоретических законов распределения статистических поляризационных характеристик радиолокационных целей естественного происхождения по данным экспериментальных измерений.

Практическая значимость работы состоит в том, что разработанные структуры одноканальных РЛС обзорного типа обладают повышенной информационной способностью, с большей эффективностью производят обнаружение и селекцию радиолокационных целей по сравнению с существующими одноканальными РЛС при сохранении массогабаритных показателей и стоимости.

Технические предложения, сформулированные в настоящей работе, могут быть нспользованы при создании новых образцов РЛС, а также при модернизации действующих РЛС. Результаты экспериментальных исследований позволяют их использовать при разработке :

Во-первых, бортовой РЛС, осуществляющей навигационную привязку летательного аппарата по данным радиолокационных наблюдений.

Во-вторых, радиолокационного устройства дистанционного измерения сосюяния поверхности моря.

Результаты работы использованы в учебном процессе при проведении лабораторных работ по курсу "Радиолокация", а также в ряде научно-исследовательских работ Томской Государственной академии систем управления и радиоэлектроники, что подтверждается соответствующими актами.

На публичную защиту выносятся следующие основные положения:

1. Одноканальная PJIC с манипуляцией поляризации по закону "линейная вертикальная-линейная горизонтальная" позволяет оценить динамический поляризационный параметр радиолокационной цели и осуществить селекцию цел"и на фоне отражений от подстилающей поверхности.

2. Одноканальная PJIC с манипуляцией поляризации по закону "линейная вертикальная-линейная наклонная-линейная горизонтальная-круговая" позволяет оценить инвариантные и динамические поляризационные параметры осесимметричных радиолокационных целей.

3. 'Использование невзаймного режима переключения с излучения на прием поляризационного состояния СВЧ-тракта одноканальной PJIC позволяет производить оценки элементов матрицы обратного рассеяния невзаимных радиолокационных сред.

4. Обнаружение искусственных радиолокационных отражателей по поляризационным признакам на фоне подстилающей поверхности позволяет снизить требования к эффективной поверхности рассеяния отражателей. •

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. 7 Всесоюзное совещание по радиометеорологии г.Суздаль, 198бг/ ■ '

2. Областная научно-техническая конференция г.Томск, 1987 г.

3. Оластная научно-техническая конференция г.Томск, 1989 г.

4. Третье Международное Совещание по Радиолокационной Поляриметрии г.Нант (Франция), 1995 г.

Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в 11 опубликованных работах.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов и заключения, изложена на 118 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков, 5 таблиц, список использованном литературы из 107 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы, определяется цель исследований, излагаются тезисы, характеризующие научную новизну и

практическую значимость работы, формулируются основные положения, выносимые на публичную защиту.

В первом разделе с использованием отечественных и зарубежных источников проведен анализ современного состояния теории измерении поляризационных 'характеристик радиолокационных объектов.

Поставленная в чнссертацни цель исследований определила необходимость детального анализа современного состояния теории измерений поляризационных характеристик радиолокационных целей по разделам :

способы представления поляризационных характеристик радиолокационных объектов;

поляризационные измерения при дистанционном зондировании радиолокационных целен естественного и искусственного происхождения;

Проведенный анализ показал, что при количественном описании поляризационных характеристик целей физически наглядным и удобным является параметрическое представление матрицы обратного рассеяния цели, при этом набор из четырех действительных чисел определяй энергетические и поляризациоигые характеристики осесимметричных радиолокационных целей, обладающие линейными собственными поляризациями. В качестве математической модели, позволяющей интерпретировать в наглядной .форме процесс обратного рассеяния осеснмметричнон цели, выступает двухвибраторная модель. Отмечается ограниченность представления целей двухвибраторной моделью, чтс сужает класс интерпретируемых радиолокационных объектов. Анализ параметрического представления характеристик рассеяния цели показал, что в случае взаимной области распространения падающих и рассеянных волн набор из пяти действительных чисел пределяет относительнук матрицу обратного рассеяния стабильной, в общем случае асимметричной цели и включает в себя: | Х11 - модуль собственного числа р - отношение модулей собственных чисел, д<р - разносгь аргументоЕ собственных чисел, с - угол эллиптичности собственного базиса к.атриць рассеяния, а - угол ориентации собственного базиса матрицы рассеяни$ цели относительно измерительной системы координат. При этсы моделью, позволяющей наглядно интепретировать процесс обратной: рассеяния асимметричной цели, выступаег известная модель рассеянш произвольной взаимной среды, представляющая собой последователык разнесенные ( в направлении распространения волнового вектор, падающей волны четвертьволновой фазовой пластины и дву> ортогонально ориентированных вибраторов. Анализ представленш характеристик рассеяния радиолокационных сред показал, что в случа( невзаниной области распространения падающих и рассеянных вол» матрица обратиого рассеяния несимметрична, а её о;иосительная форм, включает в себя набор из семи действительных чисел.

Проведенный обзор известных в настоящее время способов и устройств, позволяющих обнаруживать и производить селекцию пелен по поляризационным признакам на фоне подстилающей поверхности, показал, что при построении поляризационных РЛС часто применяются двухканальные методы, основанные на одновременном излучении и приеме ортогогоналыю поляризованных сигналов, что усложняет конструкцию радиолокационной системы. В то же время, одноканальные методы поляриметрии язляются эффективными при решении ряда задач прикладного характера. При этом измерения поляризационных характеристик целей в одноканальных поляризационных РЛС основываются на излучении и приеме поляризационно-модулированных или поляризационно-

манипулированных сигналов. Существующие модуляционные способы и устройства позволяют измерять поллризациипиые характеристики ■ осесимметричных радиолокационных целей. Газработанные манипуляцнонные методы фактически сгодятся'к измерению параметра, характертующего степень поляризационной анизотропии цели и в связи с этим, усгупагот модуляционным методам по полноте проводимых измерений.

С учетом изложенного, формулируются следующие задачи, поставленные в диссертации:

исследование одноканальных методов обработки полярнзациенно-ыанипулированных сигналов, позволяющее производит. измерения поляризационных характеристик осесимметричных н йсшметричных целей и характеристик рассеян;;;-'. цеззаикшьсс сред;

экспериментальное исследована; статист* псских споГгстп поляризационных характеристик радиолокационных гдггаЧ естесгвечнпго н искусственного происхождения;

исследовал;; характеристик обтружеиия целей по поляризационным признакам пз фоне пойсрхностно>распреяеие£''-"х< помех различного происхождения;

разработка техиическ1!х решений, позг.оляощи?» одногсанпльпым РЛС, работающим з режиме излучения г? приема пияртзщ^пно-манипулированных сигналов, осуществлять измерение и отображен»;- па индикаторе в реальном масштабе времени поляризационных характеристик целен, производить селекцшо целен на фоне подстилающей повсрхпостн;

Второй раздел диссертации посв>ацен исследованию косвенных ■ мегодоз измерения поляризационных хараетеристик объекта при использовании поляризащюнно-модулирогзгшых и полярнзацнонко-мгпнпугкпегзшых сигналов. На основе анализа векторного преобрззо.'лния ситка-юз р.1д»:слока*п«мк:ым кзпгяом, состо.тщего из однокшгйлыюй поллр!пции::1;?П РЛС л радиолокационного обгсЕстя.

определены зависимости, связывающие измеряемые параметры с характеристиками цели.

Получено, что в случае использования модулированных по углу эллиптичности и углу - ориентации зондирующих сигналов установить однозначную связь между измеряемыми амплитудными и фазовыми значениями спектральных составляющих, кратных частоте поляризационной модуляции, с поляризационными параметрами асимметричной цели, в общем случае, не представляется возможным.

На основе формирования и обработки манипулированных сигналов линейных и круговых поляризаций разработан способ измерения поляризационных параметров осесимметричной радиолокационной цели. При этом, процесс преобразования поляризационной структуры сигналов в радиолокационном канале определяется соотношением

£ - С[п1т#|(т':х][8(т^][т#1^].-'- (1)

в состав которого входит Тф|, Тф2 - матрицы Джонса фарадеевского вращателя, - соответствующие режимам излучения и приема радиолокационных сигналов, Тця - матрица Джонса четвертьволновой пластины, в - матрица рассеяния цели, П- матрица Джонса прямоугольного волновода и постоянный множитель С, учитывающий потенциал РЛС и расстояние до цели.

• Анализ выражения (1) показывает, что по результатам четырех циклов измерений,соответствующих режимам :

1. облучения цели волной вертикальной поляризации, приему рассеянной волны той же поляризации (Е|),

2. облучения цели волной горизонтальной поляризации, приему рассеянной волны той же поляризации (Ез),

3. облучения цели волной линейной поляризации с углом ориентации 45° относительно вертикали, приему рассеянной волны ортогональной поляризации (Ез),

4. облучения цели волной круговой поляризации правого направления вращения» приему рассеянной волны ортогональной поляризации ( Еч ), оценки поляризационные параметров осеошметричной цели определяются соотношениями :

р=[(1+2(Е,/Е,)2+2(Е/Е4У-{ЕзЖ4)2-21(Е2/£4)г-(Е,/Е4)2 ^(Е^Е»)2)/

(1 +2(Е,/Е,)2+2(Е2/Е4)2-(Е1/Е4)2+2 |(Е2/Е4)ЧЕ,/Е4)г |/(Ез/Е4)2)/]1/2 (2)

Дф=агссо5{(2(Е,/Ь|)2+2(Е2/Е|)2-(Е}^4)2-1)/[ !+2(Е,/Е4)2+2(Е2/Е4)г

ЧЕ}/Е,)2-4{ к^/Е^-СЕ./ЕЛ2 кЕз/Е.)2)]'« 1 (3)

а=[агесо5{(Еу,Е4)8е11Г(Е2Ж4У!-(Е|/Е4)2)}]/2

(4)

На основе использования сигналов линейных поляризаций предложен способ измерения параметра Еэг =Е|/Ез , характеризующий поляризационно-анизотропные свойства, и параметра Еан =Е|/Еэ , характеризующий пол.тризациошю-изотропные свойства целей.

На основе формирования и обработки сигналов линейных и круговых поляризаций в соответствии с режимами :

1. облучения цели волной круговой поляризации правого направления вращения, приему рассеянной волны ортогональной поляризации (ЕЛ),

2. облучения цели волной линейной поляризации с углом ориентации 45° относительно вертикали, приему рассеянной полны ортогональной поляризации (иг),

3. облучения цели волной круговой' поляризации правого направления вращения, приему рассеянной полны линейной вертикальной поляризации (Оз),

4. облучения цели бол; сой геруговой поляризации правого направления вращения, приему рассеянной полны линейной горизонтальной поляризации (и*),

5. облучения цели волной круговой поляризации левого направления вращения, приему рассеянной волны линейной иертш:альной поляризации (Оз),

6. облучения цели волной круговой поляризации левого направления вращения, приему рассеянной волны . линейной горизонтальной поляризации (11б),

разработан алгоритм измерения оценок поляризационных параметров асимметричной радиолокационной цели в соответствии с выражениями:

р=[1 -2А- {(2Л-1 )МЛ2} "23 /2А,

у'

е=[агс5тВ]/2,

-71/ 4<£ътс/4

0<р<П

(6)

(5)

Дф=агссоз{[2(НВ2)(1 +р2)-2((из/и|)2+(иб/и|)2+(иЛГ|)2

+(и5Ш!)2-1)(1-В2)(1+рг)И2((из/и))?+(иг/и|>2+(ил/и|)2

+(и.Л1|)г)(1-В2)]},

0<Л<р£я

(7)

а=[агссо5 {((1 +р2)/ (1 -р2))«!*-! )/(Я+1))(1 /со52е)} \!2

(8)

где

А=2[(2(и4/и 1 )2 +2(115/и|)2-1)(2(из/и02+2(иб/и02-1)

+ 1-2(2(иб/и|)2(и4/и|)2+2(и5/и|)2(из/и|)Чи^и02]/ (9)

[2{(из/и|)2+(иб/и|)МШио2+(Ши|)21]2

В=[(Нр2)/(1-р2)][{(из/и02+(иб/и|)2-(и4/и|)2-(и5/и|)2}/

{(иэшон^б/и^+ош^+шз/ио1}! (10)

К=[(ибШ,)Н(и4/и02]/ [ ОШ^+ОШО2] (11)

На основе использования сигналов круговых поляризаций в соответствии с режимами:

1. облучения цели волной круговой поляризации левого направления вращения, приему рассеянной волны той же поляризации ГО.),

2.. облучения цели волной круговой поляризации правого направления вращения, приему рассеянной волны той же поляризации (02),

предложен способ измерения поляризационного параметра Епл=0|/02, позволяющий классифицировать цели на осесимметричиые и асимметричные.

На основе использования режима иевзаимного переключения с излучения на прием сигналов линейных и круговых поляризаций в соответствии с:

1. облучения среды волной линейной вертикальной поляризации, приему рассеянной волны той же поляризации (V)),

2. облучения среды волной линейной вертикальной поляризации, приему рассеянной волны ортогонально?! поляризации (Уг),

3. облучения среды волной линейной горизонтальной поляризации, приему рассеянной волны той же поляризации (Уз),

4. облучения среды волной линейной горизонтальной поляризации, приему рассеянной волны ортогональной поляризации (V« ),

5. облучения среды волной линейной поляризации с углом ориентации 45° относительно вертикали, приему рассеянной волны ортогональной поляризации (Уз),

6. облучения среды волной линейной поляризации с углом ориентации 45° относительно вертикали, приему рассеянной волны ортогональной поляризации (У б),

7. облучения среды волной круговой поляризации правого направления вращения, приему рассеянной волны линейной вертикальной поляризации ОЛ),

8. облучения среды волной круговой поляризации правого направления вращения, приему рассеянной волны линейной горизонтальной 1.оляризацин (У*),

предложен способ измерения элементоа матрицы обратного рассеяния невзаимных сред в соответствии с выражениями:

1$„| = У3 (12)

М = У2 (13)

йл1 = У4 (14)

1^22 I = VI (15)

Ф12=агс51п{(У2г+Уз2-У82)/2У2Уз}, -пПйщ&пП. (16) ф22=агс5т{ф2+Ы]|/2}-агс1§(а/Ь),-т^2<ф22^я/2 ' (17)

ф2|=ф22-фх, -л/25ф21^п/2 (18)

где ф«= агс51п{(У72-У|2-У42)/2У|У4 (19)

а = У3У)+У2У4С05(ф)2+фх) (20)

Ь = У2У4 5Ш(ф12+фх) (21)

I = [У|ЧУ22+Уз2+У42-Уз2/2-Уб2/2]/2 (22)

На основе дополнительного привлечения цикла из четырех манипуляций сигналов линейных и круговых поляризаций предложен модифицированный способ измерения элементов матрицы рассеяния ^взаимной среды, позволяющий измерять аргументы элементов матрицы рассеяния во всем диапазоне их возможных значений.

На основе использования режима переключения с излучения иа 1рием поляризационного состояния СВЧ-тракта РЛС с использованием :нгналов круговых и линейных поляризаций в соответствии с:

1. облучения среды волной линейной поляризации с углом ориентации 45° относительно вертикали, приему рассеянной волны ортогональной поляризации (\У|),

2. облучения среды волной линейной поляризации с углом ориентации 45° относительно вертикали, приему рассеянной зояны ортогональной поляризации (\Уг),

3. облучения среды волной круговой поляризации левого «правления вращения, приему рассеянной волны ортогональной юляризации (ЛУз),

4. облучения среды волной круговой поляризации правок направления вращения, приему рассеянной волны ортогонально! поляризации (А^Л),

5. облучения среды волной линейной вертикальной поляризации приему рассеянной волны той же поляризации (^Л),

6. облучения среды волной линейной горизонтально!' поляризации, приему рассеянной волны той же поляризации (\Уб),

предложен способ измерения I Л I модуля разност!

внедиагональных элементов матрицы рассеяния невзаимных сред характеризующий невзаимные свойства исследуемого объекта определяемый как

|Д I = [\У|2+\У22+\Уз2+\У42]/4- \У32-\Уб2 (23)

Сравнение предложенных способов с известными модуляционным! способами показывает:

манипуляционные способы позволяют производить оценю поляризационных характеристик осесимметричных и асиммметрнчньн целей и характеристик рассеяния невзаимных сред, в то время ка( модуляционные способы разработаны только для осесимметричных целей манипуляционные способы требуют меньшего времени пр! выполнении оценок поляризационных характеристик целей по сравнении: с модуляционными способами, быстродействие которых ограниченс требованиями, налагаемыми теоремой Котелынткова при проведент измерений амплитудных и фазовых значении спектральных составляющие по временным отсчетам огибающей принятых сигналов;

манипуляционные способы в случае использования в видеотраюч РЛС логарифмического приемника позволяют с большей точносты; осуществлять оценки поляризационных характеристик целей, поскольку для модуляционных способов связь измеряемых величин < поляризационными параметрами цели носит неоднозначный характер.

Достоинством разработанных способов измерения характеристш целей является простота технической реализации, обусловленная тем что оценки параметров получаются в результате последстекторно1 обработки принятых сигналов в видеотракте РЛС, с последующи», аналого-цифровым преобразованием (АЦП) и цифровой обработк! сигналов. Точность получаемых оценок, как показал проведенньп анализ, определяется п (разрядностью АЦП), при этом начиная с п=Е относительные погрешности всех измеряемых параметров не превышают 10%.

В третьем разделе диссертации проводится исследоиапш характеристик обнаружения радиолокационных целен на фон< мешающих отражений от подстилающей поверхности.

Применив статистический подход к решению прикладных задач пс обнаружению целей сформировано 'признаковое пространстве

вероятностных поляризационных характеристик, состоящее из векторов-строк "¡Г, Д"ф,Т,сГ, каждый из которых количественно описывается набором параметров : среднее значение, дисперсия, коэффициент эксцесса, коэффициент асимметрии. На основе применения критерия максимального правдоподобия при анализе задачи обнаружения целен с известными поляризационными характеристиками по результатам измерений в каждом элементе разрешения участка местности получено правило принятия решения, согласно которому сравниваются плотности вероятности поляризационных характеристик цели с осредненными плотностями вероятности соответствующих характеристик местности, при этом общее решение о наличии цели принимаете^ тогда, когда результат сравнения плотностей вероятностей цели и местности по каждому из параметров р, Дф, е, а, превысили заданные пороги. Применительно к критерию Неймана-Пирсона сравнение характеристик цели и местности сводится к процедуре испытания на порог измеряемых поляризационных параметров. При этом, вероятности правильного обнаружения н ложной тревоги по параметру р равны

-ОС.

где \\'(р/Н|), \У(р/Ни) - условные плотности вероятности, соответствующие статистическим гипотезам Н| (предполагающей) н И» (предполагающей отсутствие цели).

При использовании наличие цели параметров р и Дф

ГЗр л<р= Ор Оц,

Г*рЛф"~ Рр Р\\ф

При использовании параметров р, Дф, а Ор ОлР о

<1

Исследование статистических характеристик различных типов поверхности земли (малый населенный пункт, соснозын бор, поле с травяным покровом, городские строения) проводилось в трехсантнмепювок днапозоне длин воли, используя действующие установки полярмметрог) модуляционного и мащщуляционсога типов. Поисгс теоретических законов распределения, согласующиеся по критерию х-киадрат с данными экспериментальных'измерении, позволил выявить основные закомсрности в характеристиках земной поверхности. Установлено, что распределение параметров р и Еь. согласуется с

(24)

(25)

(26)

(27)

(28) (29)

нецентральным г-распределением, Дф - гамма-распределением, а- законом распределения фазы случайного вектора. Показано, что результаты измерений статистической характеристики Епл позволяют отнести участок местности типа сосновый бор к классу осесимметричных целей, а городские строения к классу асимметричных целей.

Исследование характеристик рассеяния искусственных отражателей (ИО) предусматривало изготовление и измерение поляризационных параметров различных конструкций уголковых отражателей, оснащенных поляризационными трансформаторами.

На основе выражений (24-29) проведен расчет характеристик обнаружения ИО на фоне земной поверхности, при этом в качестве условных плотностей вероятности, соответствующих гипотезе Но, задавались выявленные законы распределения статистических характеристик местности. На рис.1 приведены кривые обнаружения ИО на фоне различных участков местности, построенные по критерию Неймана-Пирсона, при этом кривые 1 соответствуют обнаружению по параметру р, 2 - по параметру Дф, 3 - по параметру а, 4 - по параметрам р, а, 5 - по параметрам р. Дф, а.

На основании проведенных расчетов сформулированы следующие выврды:

эффективность обнаружения ИО определяс .я в основном отношением средних значений (Ц/Ф) статистически:: поляризационных параметров ИО и местности;

при обнаружении ИО по поляризаццспг;ым параметрам существенно снижаются требования к ЭПР отражателей;

поле с травяным покровом сосновый бор

2 3 Ц/Ф 1 2 Ц/Ф

а) б)

Рис.1. Характеристики обнаружения ИО по поляризационным параметрам на фоне земной поверхности.

использование при обнаружении ИО одновременно нескольких поляризационных характеристик значительно повышает эффективность их обнаружения.

В рамках проводимых измерений характеристик рассеяния искусственных целей исследовалась ракурсная зависимость поляризационных и энергетических характеристик автомобиля ГАЗ-66. На основе рассмотрения корреляционных свойстн установлен многоцентровый механизм рассеяния при формировании оценок параметров р и Дф. Приведены численные оценки обнаружения автомобиля на подстилающей поверхности. Предложена структурная схема обнаружения автомобиля с помощью поляриметрической РЛС, расположенной на борту летательного аппарата. Процедура принятия решения, при этом, состоит в вычислении автокорреляционных функций измеренных поляризационных параметров, по результатам которых проводится анализ пространственных гармоник с периодом изменения ракурса целей 90° , амплитуды которых сравниваются с заданными порогами, по результатам сравнения принимается решение о наличии или отсугствии автомобиля.

Дальнейшее содержание раздела состоит в исследовании характеристик рассеяния взволнованной морской поверхности. Методика проведения измерений предусматривала оценивание параметров Е»г и Бич (спектр огибающей рассеянных сигналов) при изменении ориентации антенны в азимутальной плоскости относительно направления ветра. Анализ проведенных измерении показал существенную зависимость поляризационных свойств морской поверхности как от скорости ветра, так и его направления. По результатам исследования предложена структурная схема дистанционного обнаружителя критического состояния поверхности мо'ря.

В четвертом разделе диссертации описываются различные варианты построения одноканальных РЛС,работающих в режиме излучения и приема сигналов линейных и круговых поляризаций и позволяющих реализовать разработанные алгоритмы измерения поляризационных характеристик целей. Рассмотрены принцип работы и функциональные возможности описанных РЛС, предложены технические решения, защищенные авторским свидетельством, отображения в реальном масштабе времени измеренных поляризационных характеристик, изложены результаты экспериментальных исследований.

На рис.2 приведена структурная схема устройства измерения поляризационных характеристик цели, где обозначено : БС - блох синхронизации, Прд - передатчик, АП - антенный переключатель, ФВ -фарадеевскии вращатель, АЦП - аналого-цифровой преобразователь, Прм - логарифмический приемник, КОН - коммутатор опорных напряжений, Ис1,2 - источник 1,2, КШД - коммутатор шины данных, ЗУ1.2 -запоминающее устройство 1,2, ВУ - вычитающее устргйство, СУ -

суммирующее устройство, БР - буферный регистр данных, ЦАП1,2 -цифрово-аналоговый преобразователь 1,2, КД - коммутатор данных, ДУТ1А - датчик углового положения антенны, И - индикатор.

Рис.2. Структурная схема устройства измерения поляризационных

характеристик целей при использовании зондирующих сигналов линейных поляризаций.

Устройство работает в режиме излучения линейно-поляризованных сигналов. Цифровая обработка принятых сигналов заключается в запоминании в реальном масштабе времени уровней сигналов, соответствующих. двум различным поляризационным состояниям излученных волн, и их черезимпульсным вычитанием, в результате чего на выходе субблока измерения образуются мгновенные . значения поляризационного параметра Е„, ( или, Е0„ ). С целью получения

статистически устойчивых оценок, а также улучшения их отношения сигнал/шум устройство осуществляет накопление мгновенных значений.

Макет поляризационной РЛС, реализующий данное устройство (рис.2), был создан на базе серийного одноканальиого метеонавигационного радиолокатора "Гроза-154" и обладал следующими техническими характеристиками : длина волны -3,2 см; ширина диаграммы направленности- 3° ; мощность излучения - 10 кВт; чувствительность приемника в режиме приема одиночного импульса -125 дБ; длительность импульсз - 0,4; 0,8 мкс; частота поляризационной манипуляции - 300 Гц, количество разрядов субблока измерения - б; количество разрядов субблока накопления -12. л

Цель проведения наземных и летных испытаний заключалась в исследовании практических возможностей поляриметра при решении навигационных задач. К полезным обнаруживаемым целям относились искусственные отражатели, населенные пункты, железнодорожные мосты. Результаты испытаний показали высокую эффективность режима поляризационной селекции полезных целей по параметру Е»г па фоне мешающих отражений от земной поверхности. Приводятся фотографии радиолокационных изображений работы поляриметра в режиме селекции целей, подтверждающие достоверность полученных теоретических и экспериментальных исследований.

В заключении сформулированы следующие основные результаты диссертационной работы:

1. Разработан способ и устройство, его реализующее, измерения поляризационных характеристик цели на основе манипуляции поляризации излучаемого сигнала по< законам "линейная вертикальная-линейная горизонтальная" и "линейная вертикальная-линейная наклонная".

2. Разработан способ и устройство, его реализующее, измерения инвариантных и динамических поляризационных характеристик осесимметричиых радиолокационных целей на основе манипуляции поляризации излучаемого сигнала по закону "линейная вертикальная линейная наклонная-линейная горизонтальная-круговая правого направления вращения".

3. Разработан способ измерения инвариантных и динамических поляризационных характеристик асимметричных радиолокационных целей на основе шести циклов манипуляции поляризации излучаемого и принимаемого сигналов.

4. Разработан способ измерения элементов матрицы обратного рассеянная невзаимной среды на основе использования режима невзаимного переключения с излучения на прием поляризационного состояния СВЧ-тракта одноканалbiioii РЛС.

5. Приведены оригинальные экспериментальные исследования статистических свойств поляризационных характеристик радиолокационных целей естественного и искусственного происхождения.

6. Исследованы характеристики обнаружения целей искусственного происхождения по поляризационным признакам на фоне подстилающей поверхности.

7. Приведены результаты испытаний обзорного поляриметра манипуляционного типа, которые подтверждают работоспособность предложенных технических решений, а также достоверность полученных теоретических и экспериментальных исследований.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Бадулин H.H., Гулько В.Л., Шошин Е.Л. Использование поляризационно-модулированных сигналов при зондировании метеообразований II Материалы 7-го совещания по радиометеорологии, -М..Т986, с.1б

2. Бадулин H.H., Гулько В.Л., Шошин Е.Л. Анализ влияния частоты поляризационной модуляции на результат поляризационных измерений // Радиотехнические методы и средства измерения. Научно-техническая конференция: Тезисы докладов. Часть I. - Томск,Изд-во Томск, гос. ун-та. - 1987

3. Бадулин H.H., Гулько В.Л., Шошин Е.Л. Научно-технический отчет по НИР "Комплекс" N Гос.регистрации 01900039352 //Томский институт АСУ и радиоэлектроники, hjib.N 02900047437, Томск,1989

4. Гулько В.Л., Петров А.Ф., Шошин Е.Л. Характеристики обнаружения радиолокационных целей по поляризационным признакам II Радиотехнические методы и средства измерения. Научно-техническая конференция : Тезисы докладов. Часть I. - Томск, Изд-во Томск, гос. унта.- 1989

5. Бадулин H.H., Гулько В.Л., Шошин Е.Л., Фролов Д.А. Научно-технический отчет по НИР "Рубеж-2Т" Спецтема // Томский институт АСУ и радиоэлектроники, hhu.N 218, Томск, 1990

6. Бадулин H.H., Былина В.В., Гулько В.Л., Соколов К.Г., Шошин Е.Л. Обобщенные собственные поляризации радиолокационной цели /Известия ВУЗов СССР. Радиоэлектроника, 1991, N9, с.33-38

7. Бадулин H.H., Былина В.В., Гулько В.Л., Петров А.Ф., Соколов К Г., Шошин Е.Л. Обнаружение искусственных радиолокационных целей по поляризационным признакам на фоне земной поверхности /Известия ВУЗов СССР. Радиоэлектроника, 1991, N8,0.29-32

8. A.c. 1780418 СССР, М.кл. G01S 13/02. Устройство селекции радиолокационных целен /Бадулин H.H., Гулько В.Л., Пстроз А.Ф., Шошин Е.Л., Фролов Д.А.

9. Бадулин Н.Н., Бацула А.П., Шошнн Е.Л. Научно-технический отчет по НИР ГБ 4194 N Гос.регистрации 01920004820 / Томск, Томский институт АСУ и радиоэлектроники, 1993

10. Dadulin N.N, Shoshin E.L. Investigation of Polarization Characteristics of Radar Signals Scattering from the Sea.-IEEE.Third Int.Workshop on Radar Polarimetry, 1995, vol.1, p. 194-148.

11. Shoshin E.L. Investigation of Polarization Ditection of Radar Corner Reflectors against Ground Cover Returns.-IEEE. I "hird Int.Workshop on Radar Polarimetry, 1995, vol.2, p.590-597.

Заказ 38 Тираж 100 Гомск. пр Ленина. 40. ТАСУР