автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Влияние рельефа местности на точностные характеристики квазидоплеровского пеленгатора

И Б ОЛ

22 дот

МИНИСТЕРСТВО ТРАПСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДЕПАРТАМЕНТ ВООДУШОГО ТРАПСПОРТА МОСКОВС1СИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИМ УПИВЕГСИТЕГ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

На права* рукописи экз.м 2-_

УДК 629.73.621.391.624

БАТАПОВ МИХАИЛ СЕШТООИЧ

ВЛИЯНИЕ РЕЛЬЕФА МЕСТНОСТИ ПА ТОЧНОСТПНК ХАРАКТЕРИСТИКИ КЛАПИДОПЛЕРОПСКОГО ПЕЛЕНГАТОРА

Специальность: 05. >2.04 - "Радиолокация и ралионавш-тшл"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994

Робота выполнена на кафедре Технической эксплуатации трано-портвого радиооборудования Московского государственного технического университета гражданской авиации.

ПаучниЛ руководитель - доктор технических паук, профессор

A.A. КУЗНЕЦОВ

Офщиалышо оппоненты - доктор технических наук, профессор

Г.А.АНДРЕЕВ - кандидат йизшсо-ыатеыатических наук, доцент

В. .Ii. КУЗНЕЦОВ

Ведущая организация - Государственный научно-иоследова-тьльский институт "АЭРОНАВИГАЦИЯ"

Защита диссертации состоится "А~ " о д_?994 г.

а часов в аудитории__на васедаями

специализированного совета Д 012.05. СО по нрпсуадэтшю ученой степени кандидата технических наук в Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу: 125493 Москва, ул.Пулковская, д.6а

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЫП7 ГА Автореферат разослан -гг." -(994 г.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печать«, просим направлять по адреоу: 125493, Москва, Кронштадтски,! бульвар, д.20 па имя ученого секретаря специализированного совета.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

доцент М.Ы.Шемаханов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работа. Точностные характеристики большинства наземных и бортовых радиолокационных и радионавигационных систем в значительной мере зависят от влияния годотилавдей поверхности. С влиянием подстилающей поверхности связаны возникновения интерференционных минимумов в диаграммах направленности антенн радиолокационных отапцяй, амплитудах и квазидоплеровских пеленгаторов, неотабильнооть линии курса и глиссады, формируемых радиомаяками инструментальных систем посадки воздушных судов. Многолучевое распространенно электромагнитных волн fOUBJ, обусловленное пореотрахением от местных предметов и годстилащей поверхности, приводит к ошибкам в радиометеорологических измерениях параметров атмосферных явлений, п каналах спутниковой и радиорелейной связи, в работе наземных и бортовых радиодальномеров и во многих других радаотехпических системах, основанных на распространении ЭМВ в непосредственной близости от земной поверхности. Особо необходимо ечптаться о влиянием подстилапзей поверхности в районах со сло»--mni рельефом местности. .

Систематическое изучение рассеяния поля на статистически неровных поверхностях восходит к работам Релея, Райса и Ламберте. Весомый вклад в развитие отого направления статистической радиофизики внесли Л.И.Мандельштам, М.А.Леонтович, С.М.Рытов, Ф.Г, Reco, И.У.Фуко, U.A.Исакович, А.П.Яуковский, С.Г.Зубкович, D.H. Татарский, а таете Barr.tck D.E., Becüxm Р., SpUzlchtno А. Одна-то в работах этих исследователей расчетные формулы индикатрис рассеяния получены, в основном, для гауссовских неровностей поверхностей, поэтому поставленная в данной работе задача разработки методов расчета объемных диаграмм рассеяния ЭМВ на поверхностях о различными статистиками вЬсот норовностей при любых наперед заданных направлениях распространения падашей и отраженной ЭМВ определяет актуальность диссертационной работы.

Цель и задачи работы. Целью работа является определение си-статических диаграмм рассеяния СМ) на поверхностях о различными статистиками высот неровностей, пригодных для учета возможного влияния подотнлащей поверхности при установке радиотехнических систем в условиях сложного рельефа местности. Поставленная цель достпгоэтся решением следуют* основных задач:

1. Разработка метода расчета площади эффективно отражающего участка поверхности при раосеянии ОШЗ на склонах возвышенностей в подстилающих поверхностях с различными плотностями распределения вероятностей высот крупномасштабных неровностей.

2. Разработка процедуры перехода от одномерной плотности распределения вероятности высот непрерывного стационарного марковского процеоса к плотности распределения вероятности производной данного процесса в любом его сечении.

3. Гааработка метода определения удельной аффективной площади рассеяния (ЭПР) алектромагнптпой волны па мелкомасштабных поверхностях о различными корреляционными функциями высот неровностей.

4. Оценка влияния аффекта затенения на рассеяние эми на под-отилающей поверхности крупномасштабными неровностями.

5. Анализ диаграмм рассеяния ОНВ на двухмасштабшл подстилающих поверхностях.

6. Предложения по расчету удельной ЭПР резонансных поверхностей, когда длина волны соизмерима о линейными размерами неровностей по дотилалцей поверхности.

Методы доследования. О работе использованы методы теории вероятности, теории случайных процесоов и вычислительной математики.

Научная новизна работы состоят в следующей.

1. Разработан метод расчета удельной аффективной площади рассеяния подотвлапцей поверхности о различными статистиками выоот крупномаовтабных неровностей.

г. Разработан метод расчета удельной вффективной площади раооеянил ЭМВ на поверхностях о мелкомасштабными неровностями.

3. Предложены споообы учета аффектов ватевения и многомаса-табнооти неровноотей годоталащихповврхвостеЯ. .

4. Предложен сшооб раочета удельной эффективно* площади р&осеянш) ЭШ) на резонансной подотилаздей иовархаоатя.

5. Показано, что формулы, полученные ва оадоааняи преможенг ных методов пригодны для раочетов удельной аффективной пжх&адя раооеяния ори лафа направлениях падающей и отраженной ЭШЭ в верхней подушюскоотв относительно расоеивашего участка водотш- . ^аювой поверхности.

Практическая зпачимобть работа состоит в тон, что полученные результаты позволяет:

1. Получать юмпкптриси рассеяния ЭМВ на различных статяотн-чэспи неровных поверхностях в любом сечении объемной диаграммы расстояния.

2. Оцоппвзть влияние подстилащей поверхности на работу радиотехнических устройств в условиях равнинной, холмпотой п горио-той мостпооти.

3. Решать обратнуп задачу восстановления геометрического характера поверхности по индикатрисам рассеяния электромагнитной

ЕОЛЛЫ.

4. Оценивать дополярязпшю сигнала, рассеянного па статиотп-чостсп неровной подеталатей поверхности.

Па з.таггу ишосятся :

1. Метод расчета удельной ¡эффективной площади рассеяния подстилащей поверхности о различными статистиками шсот крупгшаса-TaCraix неровностей.

г.Метол расчета удельной оиектягаяЛ плевдда- рассеяния Эй) пз поверхностях о молхомаситаОгшмя неровностями.

3. Способу учета офГюкгоп ззтепепия и »люгомасатабнооти неровностей подстилаюсщх поверхностей.

4. Способ расчета удельной еФЕскташой шкяущ! рассеяния ЭШ па резопапеной подстилающей поверхности.

5. Алгоритм парохода от одпоморной плотности распределения вероятности дг^форемшруеного, стационарного случайного процесса к одномерной плотности распределения вероятности производной этого процессз.

Внедренко розультатов. Результата дассертсцксганой работа внедрены: в Гос.ШИ "АЭРШАВИГАНШГШФ "Разработка методики расчета зон перекрытия и точность1* хареэтврвейт радпопеленгациоп-них снстсы тало -шгол" я г/р отосаябззгг), в а/ч 19353 сгшр "Пйрхан-ГЛ" Н г/р 01920013530), а КГГУ ГА ГШ1Р "Исследование воп-poccD создания рзшзпеленгаторов никросокуядных импульсов для си-отсм УВД а рояаоязвпгашга" м г/р 01380032000).

Апробация работа. Основные положения диссертации докладывалась п обсуждались на VIII пиутрипузовской ппучно-технической конференции "Научно-технический прогресс в ншгапэг[Ю-тоотгсоспои

обеспечении полетов ГА" гг.Москва, апрель 1989 г.), па Всесоюзной конференции "Научно-технический прогресс и эксплуатация воздушного транспорта *Чг. Москва, апрель 1990 г.), на Всесоюзной конференции "Формирование в обработка радиотехнических сигналов" fr.Черно гшовкя , 1989 г.), на Внутривузовской конференции "Обеспечение безопасности полетов и экономичности оксплуатации воздушного транспорта fr.Москва, апрель 1991 т.), на Международной конференции "Паука и техника гражданской авиации на современном этапо" fr.Москва, март 1994 т.) и на научно-технических семинарах в

НЖГА смт ГА; (1999-1994 v.r.)

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 работ. Структура и объем диссертационной работа. Работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка используем»* лоточников (111 наименований;. Общий объем диссертации составляет 194 стр., включает 46 рисунков, 1 таблицу.

СОДЕРЗЬЛМВ РАШШ Do введении обосновывается актуальность выбранной темы ио-оледования, сформулирована цель и основные задачи работы.

Первый раздел посвящеп анализу влияния склонов возвышенностей и подстилаадвй поверхности на работу радиолокационных и радионавигационных систем н условиях сложного рельефа местиооти. Это привело к необходимости вместо привычного в радиолокации понятия вффективной шюадади поверхности ГОПР; цели

°о - «^-fc • <*>

а

(где г - расстояние от PJJC до цели; Яц- плотность потока ыощнооти падающей плоской ЭМВ; плотность потока мощности ЭМВ, рассеянной на цели у антенной системы РЛС; ввести понятие площади шМек-тивно отражагчего участка поверхности как более удобноо для протяженных целей в поверхностей, которое можно представить в виде;

Р

где kf « pjp - коеффициент рассеяния, определяемый как отношение отраженной от поверхности мощности Рот ОМВ к полной мощности Рп, аадаядей на эффектипно отражятеий учаоток втой поверхности? X -л/.шю волны; г( - расстояние от передатчика до центра аффективно

отражающего участка поверхности; - расстояние от центра эффективно отражающего участка поверхности до приемника; п - усредненное число зоп Френеля, формирующих сигнал в направлении, на РЛС 13 $ п - 'гасло "светящихся точек" на облучаемом учаотке

поверхности.

Физическая сущность величины площади Аффективного участка подстилаюгай поверхности ГПООУЛ; заключается в следующем. Как известно, в направлении на приемник переизлучает в основном участок поверхности, ограниченный п первыми зонами Френеля, а центр этого участка определяется законами геометрической оптики:

- угол падения равен углу очражения,

- отраженный луч ЭМВ лежит в плоскости падения.

Однако, в силу изрозанности реальных земных покровов на облучаемой поверхности,условия геометрической оптики могут сложиться для носколытх участков. П большинстве практически важных случаев в сантиметровых (СИ) и миллиметровых (Ш) диапазонах длин вола размори участка, ограниченного л - первыми зонами Френеля, много моньео зоны облучения и расстояний г,и г,. При этом эффективно отражающие участки можно считать "светящимися точками" В зопо об-лучаоной поверхности может оказаться Ися- 'Ьвотляяхся точек* Чл-сло ^светящихся точек"!/ в пределах облучаемой зош является случайной величиной, подчипятеЯся распределению Пуассона. Однако для практического применения выражения (2) достаточно воспользоваться приближенной оценкой Ю < Я.^'00, |соторая может быть скорректирована при натурных испытаниях. Неидеальность рассеивающего участка поверхности учитывается в выражении (2) посредством коэффициента рассеяния йр, который зависит от характеристик неро-гатостой и диэлектрической нротпщаомости поверхности. Выражение (2) позволяет получить оценку величины хющпости сигнала, отраженного от склона возвышенности, пли подстилающей поверхности в случае конкретного размещения приемника и передатчика ОМВ на местности. Однако, согласно (2), величина площади эффективно отражаша-го участка поверхности зависит от расстояний, что нагружает данное понятое, отрзжаюаео сюйство рассеивашзй поверхности, дополнительной смысловой нагрузкой. Для того, чтобы избавятьоя от этого недостатка, можно ввести понятие удельной ОПР отатистичоски перопной поверхности слодупзим образом:

- е -

°гд= *Лд • <3>

где Эвд - площадь единичного участка поверхности.

Теперь взаимосвязь между понятием ЮОУП и удельная ЭШ' ГУОПР; может бить представлена в виде

Я илЛг г

гдэ Я- . г - полное число единичных. площадок, умещапцкх-

' I I вд

ся на аффективно отражающем участке поверхности. При этом величина, определенная выражением (3), обладает всеми свойствами УЭПР;

- характеризует рассеивающие свойства неровной поверхности,

- имеет размерность м*,

- не зависит от г( и г1.

• Второй раздел посвящен рассеянию ОШ на поверхностях о различными статистиками распределения высот крупномасштабных неровностей. И результате показано, что в случае выполнения условий кирхгофовского приближения

Гкор°{ ' • <5>

(гда оредвеквадратическое отклонение высот неровностей поверхности, гжор - радиус корреляции высот поровноотой поверхности) коэффициент рассеяния ЗШ на крушомасштабпых неровностях ыожет иметь вид

&рЛ\и|вл; - рсу,ы|в,7;л*1»' |лвл>.и|«,7#е,7пл* , (6)

гдэ рГУ,и|А,7) - плотность распределения вероятности (Ш\) того,. что ля ЭМВ. палашей под углами -е и 7, отразится от произвольно ориентированного фацета (касательного к статистически однородной в изотропной поверхности о крупномасштабными перовпостяма) в направлении, заданном углами V и и fpao.1i;

|Я(ГУ,и|'0>71е,7а>|- модуль функции от коыплекснцх коэффициентов отражения Френеля, учптавахвдЯ потери мипшости при отражении луча эив от приизвольно ориентированного фацета; е и 7Ц- дпэлок ричес кая пронпцаедаоть в проводимость поверхности.

Для получения первого сомножителя в выражении (б)

предлагается еле дутая ьятодика.

Пусть угли ф в (р задают направление нормали к произвольно ориентированному фацету, касательному в любой из точек на неровной одпорс люй в изотропной поверхности (ряо.1): угли « и 7 зада-

пт. вектор, определят®! направление падаидей на поверхность ЭМВ (рпо.1); углы V и и опредоляю? направленно отраженной от поверх-поста ЭМВ. При этом для расчетов необходимо:

1. Снять отатистачоскго датш об углах ф и ф о реальной статистически поровной поверхности. В чаотпооти моизо нопоородот-вэнно изморить о та угли, зздаодио направления нормалей к различишь фацетам облучаемого участка поверхности. Далее по отатпстн-чоскем дэшшм для ф и с? построить гнстограм»,« н устаношть по нлм зс?сон распределения р(<р,1р). Возмокно такие снять статистические лапше о сысотах \(х,М) и радиусах корреляции г^нэровностоП ис-слодуомой поверхности и определить по этим данным ПРВ высот пе-ровпостей р(М- Затем паята ПРВ р(ф,<р) при известных р(£) я г^ по олодупаэму алгоритму:

а; о помоцью известной ПРВ р(£) для высот неровностей стационарного случайного процесса £(х) получить ПРВ р(1') для производной от этого процесса ('(х). Обозначил оту процедуру следующим образом:

й{рГ£Ггл} » ра'(х)) , (7)

гдо £ - опоратор парохода от р(К) к ра*) (см. т&в);

б) учитывая, что {'И,; « ("где р - угол, образованный касательной к процессу иг) в точке г1 о горизонталью (осьп I; Г гдо г - обобвдпняя координата;, в ПРВ р({'(х)) дэлаатсп замена

переменной па р о якобианом |3п1ет|—. в результате получим

р соэ р|

ПРП ргр.':

p(t')«- ргрлзр| . (в)

в; далее, в ПРО р(р) делаем ецо одну замену переменной р на Ф о учетом того, что эти углы связаны соотношением р «= ф - х/2, а якобиан этого преобразования При этом получим ПРВ pity)

1

Р(?)

P(-ctßi>) - ргФЛЗф! . (9)

в1в*ф

г) при статистической независимости углов Ф и «р, что имеет место для большинства практически важных случаев, совместная ПРО рЛ|>,(р;, о учетом (в), может быть предотавлена в виде;

1

рГф.ф^ « р(<р)р(ч>)

p(-ctßp) р(<р) . (10)

а!п*ф

ПРВ p(tp) аадаетоя, исходя из свойств статистической изотропности исследуемой поверхности в азимутальных направлениях. Например, для статистически однородной и изотропной поверхности угол <р равномерно распределен в интервале от О до 2%, при атом его закон распределения задается выражением:

PW * к •

Таким образом, подставляя эту ПРИ в (Ю) для данного случая, согласно (9), получим искомую ПРО

* ^Г-ГГТ pi-e'ew . (in

2г ein $

Непосредственное снятие статистических данных об углах ф и ф ' в получение на их основании ПРО р(ф,<р; является более простым и может быть использовано практически для лобих поверхностей, однако на основании данного подхода невозможно детально исследовать процесо рассеяния ЭШ) на статистически неровной поверхности, т.к. ne ясно, как грп этом подходе связать коэффициент рассеянчя о характером неровностей, о их высотой в радиусом кривизны.

Второй подход к получению ПРО рГф,<р; «а основании процедуры (6)*(11), о точки зрения анализа процесса рассеяния ЭШ) ва неровной поверхности, являетоя более предпочтительным. однако существу ют значительные математич-этою трудности, связанные, в основном о процедурой перехода от р(() к pli'). О частности оператор ft (7) оказывается иптегралышм, поэтому ату процедуру удается осуществить далеко не для каждого случая.

2. Воля ПРО р(ф,(р; получено, то, делая замену переменных ф и <р на V и и, при заданных « и 7, о учетом того, что эти углы связаны однозначными аналитическими зависимостями

ф - агса1п

<р я агссоз

/а1* Ьг* с1

с

/а

(12)

(13)

("где а * соей соэш + соаН С037; Ь = сов» а1 ш * соаО з1пц

с = я(т» + аСпв.>, а якобиан этого преобразования равен

К -<к>4> * Ч(ЬсК> - Щ)

13^1

(где

/а'* ь' (аг+ Ь1* с*)

(14)

а^ - - з1т> сопи), с^ = созг, с^ = - сот в1ш.

Ъу ' - в1т> 81ш,

Ъ', ■ eoav соэи

ш

.получим искомую ПИ) рм»,«!«,?) для углов V и и при заданных углах ■9 и 7

а'+ с'

рГУ,0)1-8,7; » р

фтОГССОЭ

(15)

/а'+ Ь* (аг* Ъ'+ с") или о учетом (Ю)

У.

а'+ Ь'

рfv.wlO.7J -

.(16)

с* У а'* Ь'

Процедура перехода (7) мояет быть осуществлена по следующему алгоритму:

1.Представим ПРВ реи в вида произведения трех сомножителей РШ . (17)

2. Осуществляя о сомножителями, входящими в выражение (17) два преобразования Сурьэ, получаем футпсшш состояния

Фа\»0; - —Ь; [фи(.*0;ехр{(с,с1/п]<г(| , (18) /гкл -ь .

ф''?'.»,' - ¡ф'^^егр^Ч/л}^ • П.»;

где П « 2о{/гкор.

3. 11а основании полученных функций состояния (18) и (19; окончательно находим ПРО производной исследуемого процесса

со

р(К') - (20)

о

где 1 - дельта-функция.

ИеоОходимо отметить, что процедура (П)*(20) часто применяется в статистической физике и квантовой механике для перехода от координатного представления функций состояния к импульсному представлению. Однако в датой ■ работе показано, что ета процедура применима также и для перехода от 11ГБ р(\) любого стационарного непрерывного марковского случайного процесса к ПРО р(£') производной в любом сечонии этого процесса. Результаты применения данной процодуры для получения ПРВ производной шести процессов о различными законами распределения случайной величшш { приведены в табл./.

Второй сомножитель в выражении для коэфйициента рассеяния (6), задается выражением

|яв(У,и|«.7,б,7п>| -сов*ц|Я,Г0,Л* , (21) где • соа9 - /711- а1п*0"

I Яг| « —' ' ' - <гг)

сооЯ/ (¿|- в1пщ01 - модуль комплексного коэффициента отражения Френеля для горизонтально ооляризованной относительно рассматриваемого фацета ЭМВ,

■ ( Л1|соеу /TiTgö: _

1Ё|созд4+ /(¿|- ein Q, - модуль комплексного коэффициента отражения Френеля для вертикально пплприповпмной относительно фацета падяипеЯ ОКИ,

где

Qt= агссоа[совй coav cos(y-w) i aM aim>}/2 (24)

- угол между падащнм лучем и нормалью к фацету, т.е. угол падения ЭМВ по отношению к произвольно ориентированному фацету; é - относительная комплексная диэлектрическая проницаемость под-отшлепай поверхности, которая задается выражением;

é = - вб(Л7п , (25)

о

где е0- диэлектрическая проницаемость воздуха, е - диэлектрическая проницаемость подстилающей поверхности, 7П - проводимость подстилающей поверхности.

Угол ц в выражении (21) задается равенством

(i » arcooa[coaaaalnpa(-cosv соаш alirt - atnv coat cosrj) *

+ coaaBco8f>B(atm> cost stnj * coav aim airrt) f (27)

+ etnaJ-coBv almo cost zoa-j * cost alrq coav ,

где а. и pn - углы, определяющие направление вектора соляризации падающее ЭМВ подобно тому как углы t и 7 определяют направленно ее распространения срио.1).

Таким образом коэффициент рассеяния (6) о учетом (15) им (16) и (21)*(27) удается выразить только через углы v, и и О, 7, задающие направление падапдаго на фацет и отражешюго от него лучей 3UB, что удобно для расчетов при оценке влияния произвольно ориентированных склонов возвышенностей и гор на работу радиотехнических сиотем.

D третьем разделе получены формулы для индикатрио рассеяния DUB на поверхностях о различными статистиками распределения крупномасштабных неровностей на основании метода, предложенного в разделе 2.

В случае идеально отражающих поверхностей, на основания (6) и алгоритма (7М16), о учетом того, что выражение (21) в данном случае равно единице, получены следующие коэффициенты раосеяная для поверхностей:

1.0 гауосовсжой статистикой выоот крупномасштабных неровностей

\

1?сХ Ü с'у7Т7

(2Q)

где А,= а.Ь.с.а^.Ьу.с^.^.Ь^ - заданы в (13) и (14).

Гауссовское распределение высот неровностей пригодно для описания травяного, песчаного, снежного покрытия и слабовзволнованной волной поверхности. Поэтому выражение (2в) может быть ио-пользовано при исследовании индикатрис рассеяния ЭМВ на данных типах подстилавших поверхностей.

2. С равномерным распределением крупномасштабных неровностей

yv.wli.7j - "

* су ^ -

(29)

(а* ♦ Ъ'Г"

где кг= Згко/1, П,- база исходного равноморного распределения;.

Это выражение пригодно для описания индикатрис рассеяния ЭМВ на хорошо проводящих каменистых поверхностях (мокрый гравий, галька, щебень и т.д.).

3. Для лапласовского распределения высот кругаюмасшабных неровностей статистически однородной и изотропной поверхности

**ГЬ*с** Ъж) /о* ♦ Ь*

(30)

где А>=а^Г|сор(ав-параиэтр исходного лапласовского распределения;. Данное распределение подходит для описания раосеяния на поверхностях, подобных лиственным покровам деревьев и кустарников.

4. в случае синусоидального распределения высот крупномасштабных неровностей

о1п' [- Ь1 }/с* Ь4/2 *■ т/2]

(гто/- цшл(а* + Ъ')/с'У "

сщ ^ - * Ч Щ -

с'/а"*- Ьх где задано в стр со 4 табл./.

Данное распределение пригодно для описания процесса рассеяния на подстилатей поверхности, состоящей по п -■ полупрозрачных неровных слоев.

' 5. Для однородных и изотропных поверхностей х> статистикой, описываемой распределением Копи (см.табл. 1), получим

(31)

с'/^Ть^ I

где «гй гадано в отроке б табл.1.

5. В случае, когда неровнооти подстилающей поверхности распределены по закону сгинуо икс/Икс, искомая ОРВ

■/а'* Ъ' (а* + Ь*+ с*;

(33)

где I, показано в отроке 5 твбл./. .

Результаты расчетов коэффициента рассеяния по формуле (6) о учетом (20), (29), (21) в оравнении о экспериментальными данными приведены на рио.З.

Показано, что в случае одномерной Гцилиндрической; поверхности о гауосовоким распределением высот крупномасштабных неровноо-тей выражение для индикатрисы раосеяния (28), полученное в данной работе, полноотью совпадает о известными выражениями, полученными другими методами. Для двухмерной однородной и изотропной поверхности о гауосовской ПРВ высот иеровноотей, полученное в данной работе выражение (28) уточняет и дополняет известные выражения.

О результате сравнения полученных результатов с экспериментальными данными можно сделать следующие выводы:

/.Фацетная модель крупномасштабной неровной поверхности приводит к хорошо ооглаоушимся о экспериментами результатам для направлений, отличапгихоя от аеркаяьного направления не более, чем па . Па хвостах индикатрис рассеяния теоретические оценки

расходятся о экспериментальными данными на 10*30 дБ. Это общий недостаток для моделей, основанных на кирхгофовском приближении. Известно также, что для устранения этого недостатка следует учесть мелкие- вероховятоотв на поверхности фацетов я, следовательно, рассмату таать двухмасштабную модель подстилающей поверхности. Мзде ль двухмасатвбнг.1 подотилапцвй поверхности рассмотрена н разделе 5. '

р. При рассеянии на каменистой поверхности (например граяин, гмьк", шчбне и т.д.) ияибол»1« подходящим является рппипмчрнпп

Риг,, 3 Српвириич полученных результатов с вксп^римвнталь-

ними паяными

I - расчётная С5„.-> при гпуггоиспой ПРВ вмсот иередиостяП ? - Р^СЧПТНЯТ При рввМпЧ«рМпЛ ИГВ пчгпт !1ррпрнпрТяЯ

•) - г»*егц>рим»пто »М|я«|

распределение высот неровностей и, соответственно, выражение (29) позволяет получить для данного случая результата, наиболее близко приближяациеоя к экспериментальным.

3. характер индикатрис рассеяния на поверхностях о различными статистиками распределения крупномасштабных неровностей отличаются друг от друга незначительно. Поэтому для практической оценки влияния подстилающей поверхности на работу радиотехнических систем в условиях сложыопересеченной местности, достаточно воспользоваться моделью гаусоовской статистики высот неровностей и, соответственно, коэффициентом рассеяния (28).

Р четвертом разделе предложен метод расчета удельной биота-тической ЭПР на мелкомасштабной Гшероховатой) поверхности, на базе развитых в данной работе представлений о термодинамической энтропии случайного электромагнитного поля ГОМП).

Суть метода энтропии случайного ОШ для расчета индикатрис рассеяния ЭЮ на слабошероховатой поверхности заключается в следующем. Мелкие, по сравнению о длиной падающей волны, неровности облучаемой поверхности можно рассматривать как дипольные (практически изотропные) излучатели. Поэтому такую шероховатую поверхность можно считать составленной из мелких фацетов, линейный размер которых Ьп удовлетворяет условию

Ьп « а. . (34)

О случае рассеяния плоской ОШ) на идеально гладкой поверхности, как известно, образуется зеркально отраженная волна, распространяющаяся таким образом, что выполняются законы геометрической оптики. Причем зеркальное отражение, согласно принципу Гюйгенса-Френеля является результатом интерференции волн, отраженных от всех элементарных фацетов, образующих идеально ровную поверхность. Существование только зеркально отраженной волны вовсе не означает, что волны, отраженные от идеально ровной поверхности п других направлениях, не возникают. Действительно, на идоально ровной поверхности всегда можно выделить двухмерную решетку, в узлах которой находятся мелкомасштабные фацеты. Как известно, эта решетка, в зависимости от ее параметров и направления падающей ЭМВ, образует в дальней зоне волну, направление распространения которой обусловлено условием Пулъфа-Грегга. Однако, при суммировании отражений от всех элементарных фацетов, рассеивающего уча-

стка поверхности, фазовая структура результирующего поля оказыва ется таков, что волны, рассеянные на фазированных решетках в различных направлениях как бы компенсируются. Поэтому в дальней зоне реально наблюдается только зеркально отраженная волна.

Иначе обстоит дело в случае наличия шероховатостей на расое-рвапцей поверхности. Они приводят к тому, что фазовые соотношения в структуре рассеянного поля слабо нарушаются. Этого оказывается достаточно для того, чтобы волны, отраженные от фацетных фазированных решеток (9ФР), не компенсировались полностью. Это обстоятельство является причиной возникновения диффузной (некогерентной; составляющей рассеянного на шероховатой поверхности сигнала.

рассмотрим вначале образование только одной диффузной ЭШЭ (т.е. волны, направление распространения которой после рассеяния на шероховатой поверхности не совпадает о зеркальным направлением;, поскольку механизм образования диффузных волн, распространяющихся в других направлениях аналогичен.

Пусть направление ЭМВ, падаадей на шероховатую поверхность задано углами -в и у, а направление диффузной ЭМВ совпадает о направлением на далеко удаленный приемник и задается углами V и и> (риа.2). Тогда, как известно, в точке приема в фазе складываются только те волны, которые отражены от фацетов, образувдих фацетную фазированную решетку (ФФР;, расстояние между узлами которой задается условием Вульфа-Прегга

р|-{соэ*А сов'у + 2соеп> совЪ сов(у-и)] (35)

Поскольку волны, отраженные от 4ФР, приходят в далеко удаленную точку приема в фазе, их интенсивности в этой точке складываются пекогерентно. Поэтому полная интенсивность сигнр*а, отраженного в сторону приемника может быть представлена в виде

Ча-Е1«*' К»)

где Г^ - интенсивность ЭМВ, отраженной от 1-го фацета в направлении приемника, * - число фацетов в ОТР. В диссертационной работе показано, что для учета шероховатостей поверхности целесообразно ввеоти понятие кооФЦптептя ряо-сеяния диффузной полны следующим образом;

где I - интенсивность сигнала, отраженного в М>Р в направлении приемника; I - полная интенсивность сигнала, падающего на аффективно отражавший учаоток шероховатой поверхности; I - полное число фацетов на аффективно отражающем участке поверхности; - ко-еффициэпт рассеяния, обусловленный неопределенностью фазы суммарного сигнала в точке приема, связанной о раофазировкой ФФР из-ва вероховатоотя поверхности, приходящойоя на долю одного фацета; f(v,u) - диаграмма направленности одного фацета. Показано также, что отношение И/Ь может быть представлено в вида

ъ т * т (2х)*(соа'у » совгЪ » ?соау соаЪ соап-ы)) гза) ьм £ ТОО ' ■ '

а ковфЩциент расоеяния может быть задан выражением

(39)

где

ю

- |Р(Ф1.ФЖ.....Фмлпр«р,.Ф,.....<рн;оГф - (40)

- энтропия оушарной фазы сигнала, отраженного от ФФР в направлении па приемник; р(<р,,<ря, ... <рн) - совместная ПРО фаз сигналов, отраженных от фецетов, образующих соответствующую ФФР. Энтропия суммарной фазы сигнала, отраженного от соответствующей ФФР в направлении приемника практически не зависит от вида ПРО высот неровностей раооеивавщей поверхности и для достаточно широкого класса шероховатых поверхностей может быть вадала выражением

1.5 1п[(аф)*(»-- ф^)*5*] , (4п

где г^аш) - коаф|ициент корреляции неровностей шероховатой поверхности, аргументом которого является расстояние й в между фацетами соответствующей ФФР (си.(35)).

Подставляя (41) в (39) при Я * », получим:

* , (42)

где о* « о!(а1т> * аМ) - дисперсия одномерного распределения фазы сигнала, отраженного от одного фацета.

После подстановки (42),(3в) в (37) о учетом (3) получено вы ражение для уделмшх ЭПР шероховатой поверхности в случае горизонтальной поляризации падащей ЭМВ оь>и в случае ее вертикальной поляризации ovv

в{П*У

2к4Ьго1(аШ * аШ)'Б » , . „ ' --^

а1п'га1п'1>

гдо - задано внражением (38); к «• ^ - волновое число. На основании выражения (43) получены удельные ЭПР диффузной составляющей ЭШ) раосеянной следу щими шероховатыми поверхностями:

1) в случае поверхности о мелкомасштабными неровностями о гауссовской ПРБ и соответствующей корреляционной функцией

°1П'г' 4 , Ж ,

2к*Ъ*о*.(в 1т> * а й.

(43)

21

«Д 1-м .

81п*га1пяИ

те"

И- ехр\----1-

I I Л*г*ор(соа*'е * coa'v +

2соеп> соа$ соз(ш-т)).

(44)

2. Б случае, когда любое сечение шероховатой поверхности представляет из себя косинусоядальный процесо со случайной фазой и случайной амплитудой А • \

ош'г

/? Ь О Л . —« ^«д ^ (в1ю ,

те

1- соя*

А1

"^кор/ сов'у * сово'2сот• сое9 сов(т-ы)

.(45)

где о^* -« X.

3. Если любое сечения шероховатой поверхности является уз-кополосшл* гкпапигармоничяским) случайным процессом

Btn'v

etn V Btrrl

v к л в '

£— j[flinv ♦ eínflj.

1--— \\alnv ♦

Г"

жор

(46)

где о. « -- « К (А - случайная амплитуда квазигарыонического

4 *ор

процеооа;

dri» (coa'v * coa*« + 2coav coafl cosCf-w))'"*. (47) 3. Если любое сечение шероховатой поверхности является пуасооновским случайным процесоом

aln'v

feVoíS fe

«tp{- 4,}) (8,w *

не

8<пЧ> а«п*« (4в)

где ■ / « л; йг| - задается выражением (47). Помимо диффузной составляющей в точке приема, имеет место также когерентная (зеркальная) составляющая отраженного сигнала. В диссертационной работе проанализирован коэффициент ослабления зеркальной составляющей. С учетом результатов, полученных методом энтропии случайного ЭМП показано, что коэффицициент ослабления зеркальней составляющей может быть задан выражением , . . Г соахС) рж* 1 - егр!--¿р-1. (49)

Таким "¡разом при малых, по сравнению о длиной волны, шероховатостях К, гхор* К) основное влияние на величину коэффициента ослабления геркальной составляющей р, оказывает радиус корреляции высот неровностей, а от дисперсии высот неровностей коэффициент ослабления рэ зависит линейно.

Данный вывод дополняет общеизвестное выражение

г г^о^от1«! Р,« --i;-J. (50)

Действительно, при о^« А. равенство (50) можно разложить в ряд по

малым х» ---^-и ограничиться только первыми двумя членами

разложения. Тогда имеем;

Р,= 1--V- . (51)

Сравнивая (51) о выражением (49), находим, что проведенный в данном пункте анализ при выполнении условий \ » г^ , К » о. привел к более точному результату.

Физический смысл зависимости коэффициенте оолабления зеркальной составлявшей от радиуса корреляции высот неровностей шероховатой поверхности (см.(49)) понятен, поскольку ясно, что, если радиуо корреляции значительно больше длины волны, то рассеяние на такой поверхности будет практически зеркальным. Напротив, если радиус корреляции значительно меньше длины волны, то, согласно (49), возникает диффузное рассеяние, что приводит к уменьшению зеркальной составляющей.

Р пятом разделе продемонстрированы возможности развитого в данной работе метода, базируетегося на фацетном представлении статистически неровной поверхности, при решении ряда проблем, которые практически не могут быть корректно решены известными интегральными методами. '

Основные результаты раздела сводятоя к следующему:

1. Показана возможность решения задачи рассеяния ЭМВ на двух в более масштабной поверхности.

2. Предложены способы учета эф}екта затенения чаоти неровной поверхности при малых углах скольжения падающей ЭМВ;

3. Намечены пути решения задачи рассеяния ЭМВ па резонэнопой статистически неровной поверхности.

В частности показано,что коэф$яциент рассеяния идеально проводящей двухмаситабной поверхности о крупными неровностями может быть задан выражением

р(1\ы|«,7; = - 1 -у . (52)

гт'Ь^Уа'* Ь'* с' * с)

/аГГь? ,

Солее эффективным может оказаться непооредствонпо»» плромпо-

а * и * с * о)

вбнив любого из выражение (28) * (33) о одним из тех же выражений при выполнении условия, что диспероия высот неровностей, входящая в первое из перемножаемых выражний значительно больше аналогичной дисперсии второго выражения . Этот подход позволит значительно расширить класс двухмасштабных поверхностей, рассеяние ЭМВ на которых может быть описано предлагаемым в данной работе методом.

Показано, что коэффициент рассеяния ЭМВ на резонансной поверхности о гауосовской статистикой высот неровностей может Сыть представлено в виде

в\п'т Ь) э(п'гкПа)

(МЫ*

П

(№па)ш

/оМ

ехр

1Р'> а*)

2сжИ]

с*/а'+ Ь'

£Шт , (53)

где а.Ь.с.о^.Ьу.Су.е^.Ьу - заданны в выражених (13) и (14).

Пл- линейный размер характерных фсшотов аппрокоемирупш резонансную поверхность { Я» К ). Аналитически взять интеграл (53) сложно, однако для выявления основных закономерностей рассеяния ЭМВ на резонансной подстилающей поверхности можно воспользоваться численным интегрированием.

В вестом разделе проведено исследование точностных характе- • рпотик квазидоплеровских пеленгаторов типа АРП-75, ЛРП-бО при неблагоприятных условиях их эксплуатации в холмистой и гористой мостшоти. Проанализированы оиибкп пеленгации при наличии переот-ражэний полезного сигнала от местных предметов и участков подстилающей повохлости. Показание, что при наличии 3» Ю местных предметов и участков подстилающей поверхности наиболее эФ1ективпой пвляетоя имитационная модель квязидоплеровского пелонгатора. в диссертационной работе приведены аналитические выражения для алгоритма имитационной модели квазидоплеровпкого пеленгатора предназначенной для расчетов ошибки пеленгации на ЭШ. Исследовано также при кпком уровне интерференционного вума практически невозможно получить пеленгационную информацию. Для етого проаиплизиро-ид»? работа пррпого фазового детектора квазилетшзровского пелен-

гатора, который представляет из себя плату Фазомодулированного--широкоимпульсного модулятора {ФМ-ШИМ;. При этом за критерий ка-чвотва работы преобразователи «U-ШИМ принято среднее число положительных пересечения уровня Н+, (устанавливаемого в усилителе--ограничителе на входе преобразователя WI-ШО смеси полезного сигнала о интерференционным квазпгпрмонпческим шумом. Показало, что чиоло положительных пересечений уровня Н* в данном олучае, может быть гадало выражением

в ■

где о^ - дисперсия квазигармонйчеокого интерференционного шума, Ат - амплитуда полезного фазомсдулированного сигнала, Jo (х) - функция Бесселя нулевого порядка,

d/j» -j- iflhf^f - значение второй

производной от корреляционной функции при т * О ("где AJ-еФФективная ширина споктра квазигармоничаского интерфе-реншюиного шума;. Результаты вычислений по формуле (54) показали, что при

4. ♦

== •> 3,5 (11 дБ) среднее число пересечений уровня а « 1 равно •

1.2. Ото означает, что на десять видеоимпульсов после усилителя ограничителя приходитоя два паразитных выброоа, при атом каждый паразитный выброо сдвигает рабочую точку фазового детектора (преобразователя ФМ-ШИМ; на х. При втом качеотво работа пелепгатора резко ухудшается и в дашмх условиях пелепгашюштя информация является недостоверной.

При малом уровне интерференционного шума проведено аналитическое исследование работы квазидоплеровского пеленгатора. D результате получено выражение для ошибки пеленгации в данном олучае

Р / coa(ipjt) - 4>„(t)i J, (?яЛ4а] Aanw —=-----TS7¡----------• (53>

где 11к - радиусу кольцевой антенной решетки квазидоплеровского пеленгатора, <РИШ - Фаза квазигарнотиеокого в ума, <раа) - Фаза полезного фазомодулированного сигнала, ),(Х) - функция Бесселя первого рода. Таким образом, согласно (54) и (55), для определения ошибки пеленгации квазидоплеровского пеленгатора необходимо оценить величину интенсивности интерференционного шума что мохет бить осуществлено методами, предложенными в первых главах востаящой работы.

заглшйш и шлюда

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следу-пячму:

1. Предложены понятия аффективно отражающего участка подстилающей поверхности, коэффициента рассеяния и ..дольной ОПТ подстилающей поверхности, которые пригодны для оценки влияния склонов войвышеннооти и годоталащих поверхностей на работу радиотехнических пистем в условиях пересеченной и горной местности. Показана взаимосвязь между этими основными понятиями.

2. Предложен метод расчета удельной бистатической ЭПР неровной поверхности о различными статистиками распределения высот ícpyirao.масштабных неровностей.

3.Па основании предложешюго метода определены выражения длл огукемных индикатрис раооояния OWD па стационарных поверхностях:

а) о гауосовской статистакой распределения высот неровностей;

0)о распределением неровностей по закону Лапласа?

в) о разделением неровностей по равномерному закону;

г) о распреде^онием неровностей по закону Ксш;

0)о распределением неровностей по синусоидальному закону.

4. Предложен метод раочета удельной биотатичеокой ОПР иеро-ховятоЯ (мелкомасштабной) поверхности на основании представлений orí внтрогаг случайного олектромагшгшого поля.

5. На основании метода энтропии случайного ЭШ получены га-

р&йепия для объемных индикатрис рассеяния диффузной составляющей ЭМВ, отраженной от поверхности, которая аппроксимируется:

а) гауосовским случайным процессом;

б) синусоидальным случайным процессом;

в) пуассоно' исим олучайныы процессом;

г) квазигармоническим Сузкополосным; случайным процессом.

6. Получено уточненное выражение для коэффициента ослабления зеркальной составляющей ЭМВ, рассеянной на шероховатой поверхности.

7. Проведено сравнение полученных результатов о. экспериментальными данными и известными выражениями.

9. Па основании развитого в данной работе метода показали возможные пути решения следующих проблем:

а) рассеяние ЭМВ на двух и более масштабных поверхностях;

б) учет эффекта затенения при малых углах скольжения ЭМВ, пядапцей на рассеивающую поверхность;

е) рассеяние ЭМВ на резонансных поверхностях.

9. Полученные фор^лы удобны в использовании при оцонке оптимального выбора моста размещения радиотехнических уотройств в уолопиях сложного рельефа честности, т. о. легко адаптируютоя к произвольной ориентации склонов возвышенностей и пространственному размещению источника и приемника ЭМЛ.

10. Предложен алгоритм имитационной модели квазидоплеровско-го пелонгатора для оценки ошибки пеленгации, обусловленной влиянием переотражений полезного сигнала от меотпых предметов в участков подотилащей поверхности.

11. Предложены аиалитичестсие выражения для оценки ошибки пеленгации в случае влияния на работу квазидоплеровокого пеленгатора квазигормо1шческого интерференционного пума, обусловленного переотрвжениями полезного сигнала от наспал предметов н учагков подстил :пдей поверхности.

Результаты работы позволяют сформулировать следующие вывода:

1. При рассеянии ЭМВ на песчаной поверхности, на снежных покровах и поверхности юлы более эффективной является использование гауооовокг-я статистики во сот нерогаюотей, При рассеянии ЭМВ

на каменистой поверхности и пашне к более правильным результатам приводит использование "равномерюго закона распределения высот неровностей. Ира отражении змв от покрытых листьями кустарников о деревьев более пригодно использование лапласовского аакова распределения шоот неровностей расаеиващай поверхности.

2. Как показали расчеты индикатрисы раооеянпя SUD па поверхностях о различными статистиками распределения шоот крупномасштабных нерошюотой отличаются друг от друга незначительно, основные отличия между ними проявляется при углах значительно' отличающихся от зеркального направления.

3. По индйкатрпоом рассеяния даЩзаой состевлящай 3UB, отраженной oí шероховатых поверхностей моиао судить о характере микроструктуры этой поверхности. Подученные в данной работе выражения показывают, что характер повэрхноотп сильно влияет на индикатрису рассеяния деШопоП бооташдащей,'

4. У да1фуаиой составляющей BUB, рассеянной на шероховатой поверхности, должна доминировать вертикальная поляризация, какой бы ни была поляризация подсвечивающей SM8.

5. Проведенный па ооновшнш метода ентрогаш случайного эт „.ралиэ показал, что коэффициент ослабления ОШ), рассеянной на ие--роховатой поверхности зависит па только от даоортш шоот неровностей, но и в значительной отопани от радиуса корреляция неров-ноотей.

6. При отношении амплитуды полезного сигнала к уореднепной амплитуде квазигармонического интарфоропщюпшго пума, обусловленного переотражениями от местных предиатов п участков подстшш-

ющей поверхности, — « 3,5 (11 д&> целенгадюпную информацию

нельзя очитать достоверной.

Оснопное содержание диссертации опубликовано в следупш работах;

1. Батанов U.C., Содомепцев D.D., Костга C.D. Оценке погрешности АРП-75, обусловленной влиянием подстиЛ^пзей поворхности // Радиотехнические устройства н системы ГА. ЦИНГА, U., 1990.

2. Батанов U.C., Козлов A.n., Костин C.D. Катод расчета удельной площади рассеяния на трехмерной неровной поверхности // Поворпэнстповагас радиоэлектронных систем ГА и процессов их тех-

иичеокой эксплуатации. МИИГА, U., 1909.

3. Патанов U.C. Рассеянна электромагнитных воля па поверхностях о негвуооовой плотностью распределения высот неровностей // Теория и практика разработки радиотехнических сиотем устройств ГА. МИИГА, M., V91.

4. Патанов U.C. Рассеяние электромагнитных волн на полоти-лахиппс поверхностях о различными отатиотиками вноот перовноотей // Наука и техника гражданской авиации на современном этапе. ИГГУ ГА, М., 1994.

5. Патанов М.С. Определение плотности распределения вероятности продифференцированного стационарного случайного процесса // Паука и техника гражданской авиации не современном этапе. МГГУ ГА, U., 1994.

6. Батанов М.О. Метод распета диаграмм рассеяния радиоволн на неровных поверхностях // Научно-технический прогресс и эксплуатация воздушного транспорта. МИИГА, U.; 1990.

Т. Батанов И.О., Белясов А.П. О возможности применения термодинамики к задачам рассеяния волн на шероховатых поверхностях // Проблема технической эксплуатации и совершенствования РЭО. МИИГА, Ы., 1990,

8. Кузнецов A.A., Беляоов A.n., Батанов М.С. Перспективный □осадочный радиолокатор для гражданской авиации // Проблемы технической эксплуатация в построения радиоэлектронных сиотем ГА. МИГА, 11., 1991,

9. Соломенцев D.D., Батанов U.C., Костин C.D. Обработка сигнала связной радиостанция фезовым пеленгатором о учетом рельефе местности // Формирование я обработка радиотехнических сигналов. БПТОРЭС им.А.С.Попова. Черноголовка, 1989.

10. Батанов U.C. Рассеяние электромагнитной волны на верою-ватой поверхности // Исследование вопросов ооадания радиопеленгаторов кшкросекундных ююулъоов дм сиотем Ш в радионавигации; One« о НИР ШИТА; Научный руководитель А.А.Куэнвшв - К W 01880002008. - V., 1988.

11. Бэтааов U.C. Расчет дяаграм» рассеяния вдектрсмагявтвих волн на крупяокаагга-'яых статистически неровных поверхностях // "Шврхяя-ГА"; Отчет о ПИР / МП7 ТА; Научный руководитель А.¿.Кузнецов. - M 17 01920013538. - II., 1993.

гг. Батанов U.C. Влияние подстилающей поверхности на точност-<ш»> характеристики квазидоплеровских пеленгаторов // Разработка vo годики расчета »он перекрутия * точностных характеристик радио-;|ч»кч1Гяиионных систем типа "ПИВА": Отчет о НИР / МИИГД; Научный |.»'к»ролитвль А.А.Кузнецов. - И ГР 018900376337 - Ы., 199).