автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Улучшение обнаружения слабоконтрастных целей в пассивной тепловой радиолокации путем использования методов радиополяриметрии

Жилинская Галина Николаевна

I -ч

о и

УДК 621.39.029.55.:391.82

УЛУЧШЕНИЕ ОБНАРУЖЕНИЯ СЛАБОКОНТРАСТНЫХ ЦЕЛЕЙ В ПАССИВНОЙ ТЕПЛОВОЙ РАДИОЛОКАЦИИ ПУТЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДОВ РАДИОПОЛЯРИМЕТРИИ

05.12.04 - Радиолокация и радионавигация

Аеторефе рат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1998г.

Работа выполнена в Московском Государственном техническом университете гражданской авиации.

Научный руководитель -

член-корреспондент Международной Академии информатизации, ст. научный сотрудник, доктор технических наук ПРОХОРОВ A.B.

Официальные оппоненты -

Заслуженный деятель науки Латвии, академик Международной Академии связи и Академии транспорта РФ, профессор, доктор технических наук ХОДАКОВСКИЙ В.А.

старший научный сотрудник, кандидат технических наук ЕГОРОВ В.И.

Ведущая организация - указана в решении Совета

Защита диссертации состоится " * 1998г. в 10.00 на

заседании диссертационного Совета Д 072.05.03 в Московском Государственном техническом университете гражданской авиации Москва, Кронштадтский бульвар 20). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУГА.

Автореферат разослан ' * 1998г.

Ученый секретарь диссертационного Совета Д.072.05.03 доцент, кандидат технических наук

ПОПОВ A.C.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Наметившийся в последние годы стремительный прогресс в разработке и создании аппаратуры для активной и пассивной радиолокации привел к тому, что возможности большинства традиционных методов обнаружения, различения и селекции сигналов оказались практически полностью исчерпанными. На повестку дня стала проблема анализа тонкой структуры отраженного рассеянного и собственного радиоизлучения радиолокационных целей. Это с необходимостью потребовало перейти к проведению полного поляризационного анализа принимаемой электромагнитной волны.

В пассивной тепловой радиолокации (ПТРЛ) использование поляризационных методов дает ряд принципиально новых возможностей для улучшения как различимости радиолокационных целей, так и для определения ряда их электрофизических (диэлектрическая проницаемость, проводимость, термодинамическая температура) и геометрических (шероховатость, крутизна склонов и т.п.) параметров.

Игнорирование поляризационных особенностей собственного микроволнового радиоизлучения целей ведет к безвозвратной потере большого количества информации об исследуемой цели, что длительное время было одним из препятствий на пути совершенствования методов пассивной тепловой радиолокации. Вопросы, связанные с анализом дополнительных возможностей, которые могут обеспечить поляризационные методы анализа в ПТРЛ в задачах различимости целей и определения их параметров и характеристик изучены недостаточно детально.

Необходимость решения этого круга задач как для научных исследований, так и для практики определяют актуальность настоящей диссертационной работы.

Цель работы.

Целью работы является обоснование возможностей и целесообразности использования методов радиополяриметрии в пассивной тепловой радиолокации для улучшения обнаружения слабоконтрастных целей.

Поставленная цель достигается решением следующих основных, задач:

1 Определение взимосвязи между многомерными законами распределения иэлучательных характеристик объектов наблюдения ЛТР/1 и радиояркостными температурами создаваемого ими радиоиэлучения.

2.Определение теплорадилокационого контраста двух целей.

З.Определение зависимости вероятности принятия правильного решения в задаче различимости двух целей от поляризационных характеристик приемной антенны.

4.Расчет выигрыша теплорадиолокационного контраста для некоторых конкретных объектов ПТРЛ.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1 .Установлена взаимосвязь между многомерными, соответствующими одномерными законами распределения иэлучательных характеристик объектов ПТРЛ и видом поляризации, на которой проводится измерение.

2.Определен теплорадиолокационный контраст двух объектов

ПТРЛ.

3 .Определена зависимость вероятности принятия правильного решения при различимости двух объектов ПТРЛ.

4.Доказзна инвариантность шестимерного закона распределения элементов матрицы потерь и суммы их дисперсий к смене поляризационного базиса.

Практическая значимость работы сотоит в том, что ее результаты позволяют:

1.Увеличивать вероятность принятия правильного решения при различении объектов ПТРЛ.

2.Определять по результатам измерения радиояркостной температуры на 4 специальных видах поляризации излучательные характеристики объектов ПТРЛ.

3.Увеличивать теплорадиолокационный контраст объектов ПТРЛ, наблюдаемых на фоне подстилающих покровов.

На защиту_БЫносится.

Обоснование возможностей и целесообразности использования методов радиополяриметрии в пассивной тепловой радиолокации для улучшения обнаружения слабоконтрастных целей.

Внедрение_результатов__работы. Результаты работы нашли

применение в НИР "Поляризация-1* и "Поляризация-2", что подтверждено соответствующими актами о внедрении.

Апробация_работы. Основные положения диссертации

докладывались на Международной научно-технической конференции "Современные проблемы гражданской авиации" (Москва,1996г.), на отраслевых научно-технических конференциях: "Эффективность и оптимизация систем и процессов гражданской авиации, инженереное обеспечение безопасности полетов" (Москва, 1994,1995,1996 г.г) и межкафедральных научных семинарах в Московском Государственном техническом университете гражданской авиации в период с 1994 по 1996г.г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 работы.

ó

Структура и обьем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем работы (без Приложений) составляет 124 страницы и включает в себя 24 рисунка и 8 Таблиц. Слисок литературы содержит 84 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность тематики исследования, формулируются научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приводится краткая характеристика работы.

Первый раздел диссертации посвящен анализу общих проблем, связанных с обнаружением слабоконтрастных целей в пассивной тепловой радиолокации на фоне земных покровов, излучение которого представляет собой фоновый сигнал. Центральное место поэтому, в первую очередь, занимают вопросы связи электрофизических характеристик подстилающих покровов с поляризационными характеристиками электромагнитной волны, порожденной собственным тепловым радиоизлучением этих покровов.

Для решения исследуемого круга задач, опираясь на известные общие теоретические предпосылки, устанавливается взаимосвязь между степенью поляризации собственного теплового радиоизлучения - р, определяемой на выходе приемного устройства, и его полосой пропускания. Для прямоугольной полосы

_ ir- !sin(jrf0AK)¡

приемника шириной ,-дг эта связь имеет вид: р = i—-—---¡, где - /„

j .rfoár j

время усреднения. В силу специфики приема радиотеплового

излучения время усреднения 10 обычно имеет порядок секунды или более, что намного превышает время корреляции сигнала на входе приемника. Следовательно. информация о фазе при радиометрических измерениях заведомо разрушается. Для случайного поля радиотеплового среднее значение фазы равно нулю. Точки, отображающие поляризацию излучения на сфере

■ *

Пуанкаре, в этом случае будут располагаться на экваторе. Это означает, что собственными поляризациями будут выступать линейные поляризации. Сказанное относится к случайному полю радиотеплового излучения изотропной среды, когда исследуемая среда не вносит каких-либо различий в соответствующие фазовые соотношения для ортогональных компонент. Если излучающая среда не удовлетворяет этому условию и обладает соответствующей частотной дисперсией, то поляризация радиотеплового излучения может быть отлична от линейной.

Следующий шаг состоял в анализе влияния анизотропности . среды на поляризацию прошедшей через эту среду "электромагнитной волны. В работе показывается, что с анизотропией можно не считаться, если толщина анизотропного слоя <} удовлетворяет следующему неравенству: <1 «(<-?04£')11/0(- Численное значение величины (1

для большинства земных покровов имеет порядок одной-двух, трех длин волн. Исключение составляют некоторые классы льдов при низкой температуре. Однако и для этих сред значение <7 мало отличается от приведенного выше порядка величины. Проведенный анализ по оценке толщины эффективного слоя анизотропной среды, в котором происходит формирование собственного теплового радиоизлучения, также приводит к приведенному выше неравенству. Таким образом, в рамках рассмотренных моделей

поля радиотеплового излучения принимаемый сигнал в принципе может рассматриваться, как эллиптически поляризованный. Однако это событие является достаточно маловероятным, т.к. для его реализации необходимо выполнение трех условий для исследуемой среды. Она должна обладать анизотропией по электрическим свойствам, обладать высокой радиопрозрачностью и иметь большую толщину. Проведенные результаты принципиально связаны с предположением /¿-коррелированности теплового радиоизлучения. Если это предположение не выполняется, то анизотропия поверхностей может оказывать существенное влияние на поляризационные характеристики электромагнитного излучения. Узкополосность сигнала, в свою очередь, дает возможность исследовать изменение его поляризационных свойств для узкого частотного интервала.

Проводится обзор имеющихся в литературе сведений о поляризационных характеристик собственного радиоизлучения некоторых классов земных покровов, морской поверхности и различных типов льдов. На рис.1 (данные ААНИИ, измерения со спутник, f=37ГГц) показано изменение радиояркостной температуры летнего льда, измеренной на вертикальной и горизонтальной поляризациях, от времени. Как видно, изменение радиояркостной температуры имеет общую тенденцию убывания со временем. Храктер изменения на обеих поляризациях примерно одинаков, хотя имеются определенные различия между температурами Тит и ТуР в точках А (июль), В (август) и С (сентябрь). Это можно объяснить изменением поляризационной структуры излучения льда. Гораздо большее различие в аналогичных характеристиках наблюдается у однолетнего и многолетнего льдов (рис.2, ААНИИ, (=8- 12Ггц).

Временные изменения радиояркостной температуры летнего льда (Т=37ГГц)

РиС.4.

тк

hö-

rn

Зреыеинзя зависимость радиояркостной температуры льда, измеренной на ГП и ВП (море Бофорта, 9 =45° f = 8-12.5 ГГц)

г бо

sso

ТК 260'

250 '

/ \ Я-

* я

■ч

в-—а

-о-

j \ ■ ^

L * h v

' а----

-------.-;-:- ДНИ

Цго 6/2? 6/ä>% 7/5 V/zo»^*

___—

Л *

/ \ / 0 У v '

* V J

-----о—

' 4 I ч'

I "-о---

I t ) I

о

I I "| «' I—<—['"I I .' i "Г —1 , 1 r-r-i ') i8*1

4lO 425 *faoVt 7/S- ?/ю»-Ш

многолетний лед: и -ВП;п -ГП однолетний лед: о -ВП; о -ГП Рис.2

и

Приведенные рисунки, а также многочисленные аналогичные результаты, содержащиеся в диссертации, дают все основания для более эффективного решения задачи улучшения классификации земных покровов, и в частности, различных классов льдов. Это дает возможность существенно повысить вероятность классификации льдов, а стало быть определения их электрофизических и некоторых механических характеристик. С другой стороны, повышение указанной достоверности приводит к улучшению навигационных привязок исследуемых поверхностей к географической карте.

В качестве конкретных примеров исследования поляризационных свойств микроволнового излучения различных поверхностей рассматривались модели покровов в виде однородной среды, двухслойной среды, сред с различными законами изменения диэлектрической проницаемости по глубине: экспоненциальным и случайным, а также для некоторых анизотропных сред. Получены строгие аналитические зависимости, которые широко иллюстрируются рассчитанным при их помощи графическим материалом.

Для однородного плоского слоя при увеличении угла наблюдения 0 имеют место монотонный спад полной излучательной способности - П- и монотонный рост степени поляризации.

Для двухслойной среды обе искомые зависимости имеют аналогичный вид. Увеличение отношение ведет к некоторому сглаживанию соответствующих кривых. Изменение толщины слоя влечет за собой более быстрые изменения сответствующих кривых. Влияние толщины слоя, тангенса угла потерь и отношения Л^Т на степень поляризации проявляется только на крутизне соответствующей кривой.

Для экспоненциальной модели характер искомых зависимостей остается прежним. Однако, имеет место не очень заметное сглаживание соответствующих кривых.

Для среды со случайным законом изменения диэлектрической проницаемости происходит рост абсолютного значения радиояркостной температуры по сравнению со случаем однородного слоя со средним значением диэлектрической проницаемости, что обусловлено наличием локальных рассеяний, возникающих на неоднородностях, имеющих место в рассматриваемой среде. Проведен расчет дисперсии изменения степени поляризации собственного радиоизлучения в зависимости от масштаба неоднородностей.

Аналогичная задача решена для анизотропной среды. Характер искомых зависимостей здесь также остается прежним, а их количественная реализация определяется степенью анизотропии.

Проведенный анализ перечисленных зависимостей позволяет сделать основной вывод, состоящий в том, что независимо от выбора модели исследуемого покрова харктер зависимости полной иэлучательной способности и степени поляризации собственного радиоизлучения от угла наблюдения остается примерно одним и тем же. Это значит, что в пределах точности измерений для широкого класса подстилающих покровов может использоваться наиболее простая модель - однородной или двуслойной среды. Сказанное снимает с исследователя проблему набора априорных сведений об исследуемой среде.

Таким образом, применение поляризационного анализа без разработки дополнительной аппаратуры дает достаточно много дополнительной информации о свойствах подстилающих покровов,

п

которая при классическом использовании однополяриэационных радиометров безвозвратно теряется.

Полученные результаты открывают путь к решению одной из основных задач пассивной тепловой радиолокации - улучшению обнаружения слабоконтрастных целей.

Во втором разделе проводится анализ совместного излучения собственного радиоизлучения подстилающих покровов и расположенных на их поверхности обнаруживаемых радиолокационных целей. К последним в пассивной тепловой радиолокации применительно к задачам дистанционного зондирования относятся различные геофизические неоднородности и естественные природные образования.

Отнесение исследуемого радиоизлучения к одному из двух упомянутых источников при одинаковой природе их излучения можно проводить путем сравнения интенсивности их излучения с некоторым пороговым значением Г.... При этом, если радиояркостная температура т оказывается меньше Та:т, то

считается, что радиопоток создается первым источником, в противном случае - вторым. Естественно, что такой подход является вероятностным, т.к. интенсивность радиоизлучения каждого из источников не постоянна, а изменяется случайным образом во времени и в пространстве, вследствие взаимного перемещения источника и радиометра. В этой связи необходимо опираться на плотности распределения вероятностей интенсивности радиоилучения. При изменении поляризационных характеристик приемной антенны будет меняться взаимное положение графиков названных плотностей распределения вероятностей. Они либо будут приближаться, либо удаляться друг от друга. При этом в общем случае будут изменяться и ширина, и сама форма этих

инвариантность некоторых практически используемых величин как степень поляризации излучаемой волны, а тякхе рэдиояркостных температур, измеряемых в некоторых специальных радиоканалах.

Иллюстрации результатов, полученных в работе, применительно к некоторым типам земных покровов и морских поверхностей н их сравнению с экспериментальными данными, посвящен третий раздел диссертации.

Первый этап работы сводился к получению угловых зависимостей радиояркостных температур для фоновых поверхностей: песчаный грунт, сухая и влажная почва, ледовые покровы, пресная и морская вода. Второй этап сводился к построению аналогичных зависимостей для случаев, когда на "фоновых" поверхностях находились иные геофизические образования (травяная растительность на чистом грунте, открытые водные участки и ледяном массиве, небольшие водные участки на земной поверхности) или искусственно сделанные цели (автомобили, небольшие строения и т.п.). На третьем этапе проводился расчет искомого теплорадиолокационного контраста на различных поляризациях. Полученные расчетные результаты сравнивались с имеющимися экспериментальными данными.

Под теплордиолокационном контрастом понимается отношение радиояркостных температур при их наблюдении на той или иной поляризации при наличии и отсутствии на ней неоднородных участков (под неоднородностью понимается наличие упомянутых выше "иных" геофизических или искусственных образований и целей). При расчетах варьировалась доля приходящейся на неоднородный участок площади в общей площади от пятна диаграммы направленности. В приводимой ниже таблице эта доля составляет 30%.

Ниже приводятся некоторые результаты расчета теплорадиолокационного контраста, проведенного в работе, для различных сочетаний фоновых и "полезных" целей.

Конгр, Контр. Контр. Рост Рост

на на на контр. контр.

"Фон" "Цель» горил. оертик. по по

поляриэ. поля риз. поляриэ. сраан. с сравн. с

ДБ ДБ дв ГП ДБ БП ДБ

*1. Поле Трава 0,13 0,21 2,33 2,20 2,12

2. Поле Грунт 0,25 0,25 2,56 2.31 2,31

о 1 п^ ' 'НУМ 0 03 0,17 2,44 ° 35 2,27

4. Попе Авто 0,17 0,17 2,66 2,49 2,49

5. Поле Асфальт 0,41 0,41 2,34 1,93 1,93

6. Асфальт Азто 0 64 Л угу п ОС 2,22 2,07

/. Асфальт Грунт 0,1/ 0,21 2,ЪЬ 2,3В 2,34

Я. Лед Вода 0.68 0,86 2,71 2,03 1,95

9. Вода Лед 0,53 0,77 2,43 1,90 1,66

10. Вода Лодка 0,12 0,13 2,89 2,77 2,76

Из приведенной таблицы видно, что для "средних" условий наблюдения выигрыш в контрасте устойчиво держится на уровне порядка 2 децибелл.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1 .Установлена взаимосвязь между многомерными законами распределения излучательных характеристик объектов наблюдения в ПТРЛ и измеряемыми радиояркостными температурами.

2.0пределены законы изменения многомерных и одномерных плотностей распределения вероятностей радиояркостных температур при смене поляризационного базиса.

р

3.Решена задача по определению теплорадиолокационного контраста двух объектов наблюдения в ПТРЛ и проведена его максимизация.

4.Обоснована возможность использования поляризационных эффектов для улучшения различимости целей в пассивной тепловой радиолокации.

б.Установлена зависимость вероятности принятия правильного решения в задаче различимости двух целей от поляризационных характеристик приемной антенны.

Полученные результаты позволяют сформулировать следующие выводы:

1.Все объекты наблюдения в пассивной тепловой радиолокации могут быть классифицированы по их степени анизотропности, полной излучаемой мощности и двумя координатами на сфере Пуанкаре. При этом предельными объектами являются - поляризационно изотропный, у которого степень анизотропности равна нулю, и вырожденный, у которого степнь анизотропии равна единице.

2. При изменении поляризационных свойств приемной антенны таким образом, что ее поляризации отображаются на сфере Пуанкаре на основной большой круг, измеряемая радиояркостная температура не зависит от вида поляризации. При ситуации, когда такое отображение происходит на второй основной большой круг, скорость изменения радиояркостной температуры будет максимальна.

3.Степень анизотропии объекта наблюдения в пассивной тепловой радиолокации всегда числено равна степени поляризации создаваемого им излучения.

4.Теплорадиолокационный контраст двух объектов наблюдения в пассивной тепловой радиолокации равен произведению отношения их излучательных способностей на множитель, зависящий только от их степеней анизотропности, угла, характеризующего взаимное расположение собственных поляризационных базисов, и параметров, описывающих вид поляризации, на которой производится измерение. Изменяя поляризационные характеристики приемной антенны, можно управлять теплорадиолокационным контрастом в достаточно широких пределах.

5.Для подстилающих поверхностей всегда существует такой вид поляризации, при которой глубина флуктуаций радиояркостмой температуры при измерении шероховатых поверхностей минимальна. С этой точки зрения измерения большинства "фоновых" объектов следует проводить на круговой поляризации. Гладкие поверхности с небольшими значениями комплексной диэлектрической проницаемости, напротив, следует измерять на поляризациях, совпадающих с собственной поляризацией максимального излучения поверхности, т.е. во многих' случаях на горизонтальной и вертикальной поляризациях.

6.Шестимерный закон распределения элементов матрицы потерь и сумма их дисперсий инвариантна к смене поляризационного базиса. Такой же инвариантностью обладают соответствующие одномерные законы распределения.

7.Изменение вида поляризации, на которой производится измерения, приводит в общем случае к существенному изменению вероятности принятия правильного решения, которое при определенных условиях может меняться от значения, равного 0,5, до значения - 0,9. Определяющим параметром при этом выступает

значение теплорадиолокационного контраста двух целей, существенно зависящий от вида поляризации.

При совпадении собственных поляризаций двух целей наибольший выигрыш в величине контраста может быть получен, когда паразитное излучение полностью поляризовано. Он достигается ортогонализацией эллипса поляризации приемной антенны к эллипсу поляризации второй цели.

Для случая, когда паразитное излучение полностью неполяризовано, максимальные выигрыши будут тем больше, чем больше степень поляризации полезного сигнала.

Для случая, когда полезное излучение полностью неполяризовано, максимальные выигрыши могут быть реализованы при высокой степени поляризации паразитного излучения.

8 случае, когда и полезное, и паразитное излучения полностью поляризованы, путем правильного выбора вида поляризации можно реализовать выигрыш в sec* раз, где -центральный угол между собственными поляризациями целей на сфере Пуанкаре. Максимальный выигрыш при этом реализуется для ортогональных поляризаций.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1.Троицкий В.И., Жилинская Г.Н. Теплорадиолокация местности и привязка радиолокационной карты к топографической. В кн.: "Методы и средства дистанционного зондирования". -М.: РИО МГТУГА, 1995.

2.Козлов А.И., Жилинская Г.Н. О корректировке теплорадиолокационных карт, полученных с борта летательного аппарата. В кн.: "Радиотехническое оборудование систем дистанционного зондирования". - М.: РИО МГТУГА, 1996.

3.Жилинская Г.Н. К вопросу о построении характеристик обнаружения в пассивной тепловой радиолокации. В кн.: "Радиотехническое оборудование систем дистанционного зондирования". - М.: РИО МГТУГА, 1996.

4.Жилинская Г.Н. Об особенностях применения методов радиополяриметрии в пассивной тепловой радиолокации. - М.: Вестник МГТУГА №1, 1998.

Соискатель Жилинская Г.Н.