На правах рукописи

УДК 537.86+621.396.96

ОЛЮНИН Николай Николаевич

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКИХ ДАННЫХ

РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ ДАЛЬНЕГО

ОБНАРУЖЕНИЯ ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ЦЕЛЕЙ

Специальность 01.04.03 – Радиофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва – 2011

Работа выполнена на кафедре «Интеллектуальные информационные радиофизические системы» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский физико-технический институт (государственный университет)»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор МФТИ, заслуженный деятель науки РФ Сазонов Владимир Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, главный научный сотрудник ГУП НПЦ «СПУРТ»

Толстов Евгений Федорович доктор физико-математических наук, профессор МГТУ ГА, заслуженный деятель науки РФ Козлов Анатолий Иванович

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Научно-производственный комплекс «Научно-исследовательский институт дальней радиосвязи» (ОАО НПК НИИДАР).

Защита состоится “” _ 2011 г., в часов на заседании диссертационного совета Д 212.156.06 при Московском физико-техническом институте по адресу: 117393, г. Москва, ул. Профсоюзная, 84/32, корпус В-2.

Отзывы направлять по адресу: 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9, МФТИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физико-технического института Автореферат разослан “”2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Чубинский Н.П.

к.т.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из многочисленных отличий современных радиолокационных станций (РЛС) дальнего обнаружения от их предшественниц является использование в антенной решетке независимых антенн с ортогональными линейными поляризациями. Примерами РЛС такого типа являются станция «Воронеж М», работающая в метровом диапазоне, и станция «Воронеж ДМ», работающая в дециметровом диапазоне, разработанные на предприятиях Концерна «РТИ Системы» и функционирующие в Ленинградской области и Краснодарском крае. Антенны этих станций способны излучать и принимать сигнал с произвольной поляризацией, и, таким образом, исключить энергетические потери, связанные с несогласованностью поляризаций антенн и отраженного сигнала. Вопрос о выигрыше в характеристиках обнаружения, получаемом в результате использования антенн с разными поляризациями, в достаточной степени изучен. Помимо выигрыша в энергетических характеристиках использование антенн с разными поляризациями дает принципиальную возможность анализировать поляризационные характеристики рассеяния цели.

Знание поляризационных характеристик рассеяния, в свою очередь, дает дополнительную информацию, которую можно использовать для распознавания целей. Такая возможность выглядит очень заманчиво, поскольку задача распознавания является одной из ключевых и до сих пор до конца не решенных задач, связанных с РЛС дальнего обнаружения.

За последние несколько лет был опубликован ряд работ, в которых рассматривается использование поляриметрических данных для распознавания радиолокационных целей. Большинство публикаций посвящено алгоритмам распознавания по поляриметрическим данным. При этом в опубликованных работах практически не затрагиваются вопросы, связанные с получением этих данных, с тем, что эти данные собой представляют и как они формируются. В данной работе вопросы, касающиеся построения алгоритмов распознавания, не рассматриваются. При решении вопроса о возможности распознавания радиолокационных целей по поляризационным признакам первоочередными являются следующие задачи: исследование поляриметрических данных, принимаемых радиолокатором, исследование возможности их использования для распознавания, описание цели системой параметров, получаемых из этих данных. Этим актуальным задачам и посвящена данная работа.

Объектом диссертационного исследования являются данные поляриметрических радиолокаторов дальнего обнаружения, получаемые в результате зондирования типовых целей.

Предметом диссертационного исследования является возможность использования этих данных для распознавания типовых целей РЛС дальнего обнаружения.

Целью диссертационного исследования является обоснование перспективности использования поляриметрических данных в задаче распознавания целей РЛС дальнего обнаружения с учетом специфики радиолокаторов данного типа.

Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Оценка характеристик рассеяния цели по данным поляриметрического радиолокатора, использующего для излучения и приема разные антенны с произвольными поляризациями.

2. Оценка влияния тропосферы и ионосферы на поляризацию радиолокационного сигнала. Анализ возможности восстановления поляриметрических данных, искаженных при прохождении сигнала через тропосферу и ионосферу.

3. Анализ влияния характерных особенностей типовых целей на их поляризационные характеристики рассеяния. Выделение информативных поляризационных признаков (в смысле внутренней информативности) для распознавания различных наборов типовых целей РЛС дальнего обнаружения применительно к радиолокатору с полным поляризационным анализом и двухканальному радиолокатору путем моделирования характеристик рассеяния.

Данные задачи формулировались с учетом характерных особенностей РЛС дальнего обнаружения:

1. Цель большую часть времени наблюдения находится в космическом пространстве. Радиолокационный сигнал при распространении от РЛС до цели и обратно проходит через тропосферу и ионосферу.

2. В большинстве случаев радиолокатор способен получить информацию о характеристиках рассеяния цели только на одной заданной частоте, поэтому цель воспринимается радиолокатором как одноточечный рассеивающий объект.

3. Множество типовых целей РЛС дальнего обнаружения ограничено. Цели, представляющие наибольший интерес, обладают довольно простой геометрией.

4. Из-за использования электронного сканирования поляризации излучаемых и принимаемых сигналов зависят от направления наблюдения.

В диссертационном исследовании получены следующие новые научные результаты:

1. В рамках теории, описывающей матрицы рассеяния как матрицы отображения векторов Джонса из одного линейного пространства в другое, выведены соотношения, позволяющие определять характеристики оператора рассеяния радиолокационной цели из данных поляриметрического радиолокатора с произвольными поляризациями антенн.

2. Сделана численная оценка изменения поляризации радиолокационного сигнала из-за регулярных неоднородностей тропосферы. Предложена мера реполяризации, обусловленной кручением луча в неоднородной среде. Предложен эффективный способ численного решения уравнения, описывающего распространение электромагнитных волн в слабоанизотропных средах. Получены соотношения для восстановления матрицы рассеяния по данным поляриметрического радиолокатора, искаженным эффектом Фарадея, для случая произвольных поляризаций передающей и приемной антенн. Показано, что восстановить истинную матрицу рассеяния из данных измерений, существенно искаженных эффектом Коттона-Мутона, невозможно в принципе. Получены характерные зависимости порядка величины ионосферных поляризационных эффектов от направления луча, географической широты излучателя, дальности.

3. Показано, что основными геометрическими свойствами типовых целей РЛС дальнего обнаружения, влияющими на поляризационные характеристики рассеяния, являются наличие или отсутствие осевой симметрии, а также наличие или отсутствие изломов поверхности. Показано, что в случае отражения от конической цели в большинстве ракурсов, представляющих практический интерес, закругление излома на основании конуса не оказывает существенного влияния на возможность распознавания этой цели по поляризационным признакам. Показано, что наиболее информативным (в смысле внутренней информативности) параметром при распознавании типовых целей РЛС дальнего обнаружения является степень поляризационной анизотропии.

Достоверность полученных теоретических результатов подтверждается их публикацией в рецензируемых научных изданиях. Достоверность результатов моделирования реполяризации в ионосфере подтверждается сравнением с оценками, полученными приближенными методами, а также качественным анализом полученных результатов. Достоверность результатов моделирования характеристик рассеяния обуславливается успешной верификацией программы, использовавшейся для моделирования.

Практическая значимость диссертационного исследования заключается в следующем:

1. Полученные соотношения для оценки характеристик оператора рассеяния радиолокационной цели из данных поляриметрического радиолокатора с произвольными поляризациями антенн могут быть использованы при разработке алгоритмов вторичной обработки данных РЛС с электронным сканированием.

2. Полученные следствия из соотношения взаимности для данных поляриметрических радиолокаторов (в том числе искаженных фарадеевским вращением в ионосфере) могут быть использованы для калибровки поляриметрических радиолокаторов дальнего обнаружения.

3. Полученные зависимости реполяризации в ионосфере от дальности, географической широты, азимута и угла места могут быть использованы для оценки характерных значений реполяризации в ионосфере с учетом местоположения и сектора обзора РЛС.

4. Результаты исследования информативности поляризационных признаков могут быть использованы при принятии решения о целесообразности использования поляриметрических данных РЛС дальнего обнаружения для распознавания целей.

По результатам диссертационной работы на защиту выносятся следующие положения:

• Получены соотношения, позволяющие оценивать характеристики рассеяния цели по данным поляриметрического радиолокатора, использующего для излучения и приема антенны с произвольными поляризациями.

• Сделаны численные оценки реполяризации радиолокационного сигнала в тропосфере. Получены характерные зависимости величины ионосферных поляризационных эффектов от направления луча, географической широты излучателя, дальности. Исследована возможность восстановления матрицы рассеяния цели по данным, искаженным реполяризацией в ионосфере.

• С помощью численного моделирования исследована внутренняя информативность поляризационных признаков в задаче распознавания типовых целей РЛС дальнего обнаружения для случаев двухканального радиолокатора и радиолокатора с полным поляризационным анализом.

Апробация работы. По материалам диссертации сделаны доклады на 3-й Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь» (Москва, ИРЭ РАН, 26-30 октября 2009 г.), 14 научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы и направления совершенствования вооружения и средств информационного обеспечения войск РКО» (Кубинка, МВИРЭ КВ, 29 октября 2009 г.), 52-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (Москва-Долгопрудный, 27-28 ноября 2009 г.), 14-м международном молодежном форуме «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке» (Харьков, ХНУРЭ, 24- марта 2010 г.), XVI и XVII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 13-15 апреля 2010 г., 12-14 апреля 2011 г.). Кроме того, часть полученных результатов обсуждалась на научных семинарах, проводимых в Радиотехническом институте имени академика А.Л. Минца.

Внедрение результатов. Результаты, полученные в диссертации, внедрены ОКР «Волга МП», выполнявшуюся в ОАО «Радиотехнический институт имени академика А.Л. Минца». Результаты разработки и верификации программы, использовавшейся в данной работе для моделирования характеристик рассеяния типовых целей, внедрены в НИР «Интеграция РД», выполнявшуюся в этой же организации. Внедрение результатов подтверждено соответствующим актом.

Публикации. По теме диссертации опубликовано: 4 статьи (в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК), 9 тезисов и докладов по материалам конференций, 2 научно-технических отчета.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 148 страницах машинописного текста; состоит из введения, трех глав, заключения, приложения, библиографического списка; содержит 52 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении (п. 1) обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель исследования, научные задачи, показана научная новизна и практическая ценность полученных результатов, определены научные положения, выносимые на защиту. Кроме того, пояснены некоторые понятия и условные обозначения, используемые в работе.

Первая глава (п. 2) посвящена вопросам измерения матрицы рассеяния стабильной радиолокационной цели, ее свойствам, а также получению характеристик оператора рассеяния.

В п. 2.1 формулируются основные положения, на которых строится дальнейшее изложение: 1) Векторы Джонса, описывающие поляризации волн, распространяющихся в разных направлениях, принадлежат разным линейным пространствам. 2) Матрица рассеяния в общем случае — это матрица отображения из одного пространства векторов Джонса в другое. Ее вид и форма преобразования зависят от способа выбора базисов, в которых она записана. 3) Выбор базисов для записи матрицы рассеяния должен определяться из соображений удобства в каждой конкретной задаче.

В п. 2.2 рассматриваются вспомогательные соотношения, связанные с векторами Джонса. В п. 2.2.1 получено соотношение, связывающее координатные столбцы вектора Джонса и комплексно сопряженного ему вектора в произвольном базисе. В п. 2.2.2 предложены три вспомогательных оператора, связывающие волны, распространяющиеся в противоположных направлениях, и векторы Джонса этих волн. Предложенные операторы каждой плоской монохроматической волне ставят в соответствие волну, получаемую из первой путем обращения времени (оператор T ), зеркального отражения относительно плоскости волнового фронта (оператор M), поворота на 180 вокруг нормали к направлению распространения (оператор R ).

П. 2.3 посвящен вопросу выбора базисов для матрицы рассеяния в трех различных типовых задачах (см. ниже). В п. 2.3.1 рассмотрены три способа выбора базисов. В первом способе базисы образов и прообразов связаны оператором T (матрицы рассеяния при таком выборе базисов обозначим как ST ). Данный способ удобен при рассмотрении приемо-передающих систем, в которых для излучения и приема используются антенны с одинаковыми поляризациями.

В других случаях он может оказаться неудобным. Во втором способе базисы образов и прообразов связаны оператором M (матрицы рассеяния обозначим как SM ). Данный способ удобен при рассмотрении приемо-передающих систем, в которых для излучения и приема используются антенны, эллипсы поляризаций которых отличаются направлением обхода. В третьем способе базисы образов и прообразов связаны оператором R (матрицы рассеяния обозначим как SR ). Данный способ удобен и, как правило, используется в оптических и общефизических задачах. Получены соотношения, связывающие матрицы ST, где V — матрица перехода от базиса векторов Джонса падающих волн B1,2, используемого для записи матриц рассеяния, к комплексно сопряженному ему базису B1,2 (индекс “+” означает, что вектор Джонса характеризует волну, распространяющуюся от радиолокатора к цели), Q — матрица перехода от линейного ортонормированного базиса ex,y к B1,2, 3 = diag(1, 1).

В п. 2.3.2 рассматривается преобразование матриц рассеяния при смене базисов. Матрицы ST, вследствие полулинейности оператора T, преобразуются преобразованием псевдоподобия вида S = A* SA, где A — матрица перехода к новому базису, а S и S — матрицы рассеяния в старом и новом базисах соответственно. Матрицы SM и SR при смене базисов преобразуются преобразованием подобия S = A1SA. В п. 2.3.3 показано, что соглашения о выборе базисов для матриц ST и SR являются естественным обобщением соглашений BSA (back scattering alignment) и FSA (forward scattering alignment), используемых в зарубежной литературе, на случай произвольных поляризационных базисов.

П. 2.4 посвящен измерению матрицы рассеяния, а также извлечению характеристик оператора рассеяния из данных измерений поляриметрического радиолокатора. В п. 2.4.1 выводится соотношение, связывающие матрицы рассеяния, измеренные с помощью антенн с различными поляризациями, при условии, что известна связь между поляризациями антенн. Пусть поляризация излучающих антенн характеризуются векторами T1,2, а принимающих антенн — векторами R1,2. Пусть QT — матрица перехода от произвольного базиса T1,2 к базису T1,2, а матрица QR — матрица перехода от произвольного базиса R1,2 к R1,2. Обозначим через S и M матрицы рассеяния, измеряемые радиолокатором с антеннами, поляризации которых характеризуются векторами T1,2, R1,2 и T1,2, R1,2 соответственно. Тогда связь между этими матрицами будет следующей: S = Q M QT 1. Необходимость в таком соотношении возникает при рассмотрении радиолокаторов с электронным сканированием. В таких радиолокаторах поляризации антенн существенно зависят от направления луча, однако эта зависимость может быть установлена априори.

В п. 2.4.2 выводятся следствия из электродинамического свойства взаимности для матрицы рассеяния, записанной в произвольных базисах. Формулируется в векторной форме следствие из соотношения взаимности:

где E1,2 — векторы Джонса падающих волн, S — оператор рассеяния, запись означает симметричное скалярное произведение векторов a и b. Из векторной формы выводится несколько координатных форм вышеуказанного векторного соотношения: для матриц ST, SM и SR :

где вновь Q — матрица перехода от базиса ex,y к базису B1,2, используемому для записи матриц рассеяния, GS = QTQ, GH = QTQ. Также получена координатная форма вышеуказанного соотношения для матрицы рассеяния S, измеряемой передающей и приемной антеннами с произвольными поляризациями, определяемыми векторами Джонса соответственно:

сам T1,2 и R1,2 соответственно.

В п. 2.4.3 обсуждается извлечение характеристик оператора рассеяния из матрицы рассеяния SXY, записанной в линейных ортонормированных базисах ex,y, ex,y, путем ее диагонализации. Рассматриваются два стандартных (с точки зрения математики) способа диагонализации симметричной матрицы рассеяния. Первый способ — преобразование конгруэнтности (по умолчанию используется в радиополяриметрической литературе): = U TSXY U, где — диагональная, а U — унитарная матрицы. Использование в литературе по умолчанию матриц ST является основной причиной использования преобразования конгруэнтности для диагонализации матрицы рассеяния. Второй способ — преобразование подобия с комплексной ортогональной матрицей преобразования O: = O1SXY O, где — диагональная матрица. Данный способ не рассмотрен в радиополяриметрической литературе. Диагонализация преобразованием подобия дает собственные поляризации для систем, в которых для излучения и приема используются антенны, эллипсы поляризаций которых отличаются направлением обхода, и поэтому удобна при рассмотрении таких систем.

В п. 2.4.4 рассматривается влияние ошибок измерений матрицы рассеяния на характеристики оператора рассеяния, получаемые из этой матрицы. Для анализа используется метод малых возмущений. В рамках этого метода получены соотношения, связывающие инварианты операторов рассеяния, соответствующих искаженной и неискаженной матрицам. Показано, что ошибка определения собственных поляризаций обратно пропорциональна разности коэффициентов отражения для собственных поляризаций.

Вторая глава (п. 3) посвящена оценке реполяризации радиолокационного сигнала при прохождении через атмосферу Земли, а также исследованию возможности восстановления истинной матрицы рассеяния по данным измерений, искаженным в результате реполяризации в ионосфере. В п. 3.1 перечисляются атмосферные поляризационные эффекты, и приводится краткий обзор публикаций, посвященных их оценке. В частности отмечается, что на метровых волнах эффект Коттона-Мутона в ионосфере может существенно повлиять на измерения. По результатам обзора ставятся задачи для исследования.

В п. 3.2 решается задача оценки реполяризации из-за кручения луча в регулярных неоднородностях тропосферы. В п. 3.2.1 описывается применение методики, предложенной Кравцовым Ю.А. (метод малых возмущений), для оценки реполяризации, обусловленной кручением луча из-за горизонтальных неоднородностей тропосферы. В п. 3.2.2 предложена мера реполяризации, обусловленной кручением луча в неоднородной среде, отличающаяся от используемой в литературе инвариантностью по отношению к изменению направления луча при распространении:

e — характерная величина реполяризации, — координата вдоль луча, R — дальность, () — отклонение диэлектрической проницаемости от 1, t0 — касательная к лучу в исходной точке, t1 — поправка первого порядка малости к касательной к лучу (в качестве малого параметра используется максимальное отклонение диэлектрической проницаемости от 1), — проекция на плоскость, ортогональную вектору t0. В п. 3.2.3 делается численная оценка реполяризации, обусловленной горизонтальным градиентом показателя преломления, с использованием предложенной меры. Используется экспоненциальная модель вертикального профиля показателя преломления. Показано, что реполяризация в тропосфере мала (порядок величины 106 ), и нет необходимости учитывать ее на практике.

В п. 3.3 исследуется влияние ионосферных эффектов на измерения матрицы рассеяния: эффекта Фарадея и эффекта Коттона-Мутона. Для исследования используется квазиизотропное приближение, в рамках которого анизотропия ионосферы рассматривается как малое возмущение. В пп. 3.3.1-3.3.2, используя уравнение, описывающее в этом приближении изменение поляризации при распространении, показано, что реполяризация вследствие эффекта Коттона-Мутона зависит как от состояния ионосферы, так и от начального поляризационного состояния и рассеивающих свойств цели. Иначе обстоит дело с влиянием эффекта Фарадея. Реполяризация радиолокационного сигнала вследствие эффекта Фарадея определяется только состоянием ионосферы, а ее влияние на измерения матрицы рассеяния определяются только одним параметром. Это дает возможность частично восстановить матрицу рассеяния из измерений, искаженных фарадеевским вращением, поскольку в неискаженной матрице рассеяния элементы связаны соотношением взаимности.

В п. 3.3.3 выводится формула для восстановления матрицы рассеяния для случая произвольных поляризаций передающей и приемной антенн, определяемых векторами Джонса T1,2 и R1,2 соответственно:

где M — измеренная матрица рассеяния, QT и QR — матрицы перехода от базиса ex,y к базисам T1,2 и R1,2 соответственно, Матрица рассеяния SXY, восстановленная по указанным формулам, может отличаться от неискаженной матрицы тем, что будет соответствовать точно такой же цели, повернутой в пространстве на угол 2, или 3 2.

Пп. 3.4.1-3.4.3 посвящены численному решению уравнения, описывающего реполяризацию в ионосфере для получения характерных величин и зависимостей реполяризации от дальности, местоположения РЛС, направления луча и частоты. В квазиизотропном приближении изменение поляризации при распространении в ионосфере описывается уравнением где = + i — комплексный угол ( — угол ориентации эллипса поляризации, th равняется тангенсу угла эллиптичности), — координата вдоль луча, c — скорость света, — круговая частота радиоволны, — угол между лучом и магнитным полем H, — угол между главной нормалью к лучу концентрация электронов, e, me — заряд и масса электрона. В п. 3.4.1 делается качественный анализ решения данного уравнения. Численное решение уравнения осложнено тем, что слагаемые в правой части могут отличаться на порядки.

В п. 3.4.2 предлагается эффективная методика решения этого уравнения. Замеu cos d, где 0 — начальное значение угла, пона = 0 + зволяет избавиться от жесткости уравнения, в то же время численное вычисление интеграла в выражении для на каждом шаге решения сложности не представляет. При решении уравнения шаг выбирается как минимум на порядок меньше максимального периода осцилляций решения:

В п. 3.4.3 приводятся результаты вычислений характерных зависимостей углов и от дальности, широты излучателя (относительно магнитного полюса), азимута, угла места и частоты. При вычислениях использовалась биэкспоненциальная модель высотного профиля электронной концентрации в ионосфере и дипольное приближение для магнитного поля Земли. На рис. 1 и 2 для примера представлены графики зависимостей максимальных абсолютных значений углов и от широты излучателя относительно магнитного полюса на частоте 100 МГц при азимуте луча и угле места 0. На рис. 3 и 4 представлены графики зависимостей максимальных абсолютных значений углов и от азимута на частоте 100 МГц при широте излучателя 50 относительно магнитного полюса и угле места 0.

По результатам вычислений делаются следующие выводы. Вращение плоскости поляризации из-за эффекта Фарадея сказывается на поляриметрических измерениях на частотах меньших или порядка 3 ГГц. На метровых волнах плоскость поляризации сигнала при прохождении через ионосферу может сделать несколько оборотов (рис. 1). Величина эффекта Фарадея может меняться в несколько раз в зависимости от широты излучателя и направления луча. Реполяризация сигнала вследствие эффекта Коттона-Мутона сказывается на поляриметрических измерениях на частотах меньше или порядка 150 МГц. Порядок величины эффекта увеличивается с уменьшением частоты. На частотах больше или порядка 300 МГц данный эффект пренебрежимо мал. При увеличении азимута луча величина эффекта уменьшается и может уменьшиться на порядок (рис 4). Наибольших значений величина эффекта достигает при направлении луча на магнитный полюс и широте излучателя около 40 относительно магнитного полюса (рис. 2).

Третья глава (п. 4) посвящена исследованию информативности данных, полученных с помощью поляриметрических радиолокаторов при решении задач распознавания типовых целей РЛС дальнего обнаружения. В п. 4.1 рассматриваются параметры оператора рассеяния, получаемые, с помощью диагонализации матрицы рассеяния преобразованиям конгруэнтности (традиционно используемые в литературе) и преобразованием подобия. Разъясняется физический смысл параметров, получаемых преобразованием подобия.

П. 4.2 посвящен исследованию возможности извлечения поляриметрической информации о цели из данных двухканального поляриметрического радиолокатора — радиолокатора, излучающего на одной поляризации и принимающего на две. Такой радиолокатор конструктивно существенно проще радиолокатора с полным поляризационным анализом. Однако информация, даваемая таким радиолокатором, зависит от поляризации излучающей антенны.

В пп. 4.2.1-4.2.2 с помощью геометрического представления характеристик рассеяния на сфере Пуанкаре показано, что в общем случае невозможно из данных двухканального поляризационного радиолокатора извлечь информацию о рассеивающих свойствах цели. Такая возможность появляется только тогда, когда есть априорная информация о цели (т.е. когда априори известны по крайней мере два параметра, определяющие оператор рассеяния цели). В случае если радиолокатор излучает на круговой поляризации, ЭПР цели и форма эллипса поляризации отраженного сигнала не меняется при вращении цели вокруг направления наблюдения. Этот факт является важным для построения процедур распознавания целей, поскольку позволяет выделить характеристики рассеяния, не зависящие от угла ориентации относительно направления наблюдения и, тем самым, снизить размерность данных для распознавания. Учитывая вышесказанное, можно утверждать, что излучение на круговой поляризации является предпочтительным для двухканального радиолокатора. При этом, поскольку ориентация цели априори неизвестна, использование дополнительной поляризации на прием дает лишь один информативный параметр в дополнение к энергетическому — форму эллипса поляризации отраженной волны.

П. 4.3 посвящен типовым целям РЛС дальнего обнаружения. В п. 4.3. делается обзор целей РЛС дальнего обнаружения. По результатам обзора для дальнейшего анализа выделяются следующие типовые цели: эллипсоид вращения (имитация ложной цели), конус (имитация боевого блока), цилиндр (имитация корпуса ракеты), модель крылатой ракеты (имитация небаллистической цели со сложной геометрией). В п. 4.3.2 приводится качественный анализ характерных геометрических и электродинамических особенности каждой из типовых целей. По результатам анализа делается вывод о том, что ключевыми особенностями целей, оказывающими влияние на поляризационные характеристики рассеяния, являются следующие геометрические особенности: наличие/отсутствие изломов поверхности, скругление изломов поверхности, осевая симметрия. Отмечается необходимость использования усредненных поляриметрических данных для получения достоверных характеристик рассеяния эллипсоида. Ввиду гладкости его поверхности и отсутствия поляризационной избирательности, ошибки однократного измерения матрицы рассеяния будут приводить к значительным ошибкам в характеристиках оператора рассеяния.

П. 4.4 посвящен исследованию реполяризации при отражении от острых и скругленных изломов поверхности. В п. 4.4.1 анализируется рассеяние на остром изломе поверхности, вычисляется зависимость степени поляризационной анизотропии от угла раствора клина и угла облучения. Показано, что степень поляризационной анизотропии максимальна при малых углах раствора клина, касательного к излому, и при направлениях облучения близких к биссектрисе внешнего угла клина, а также при скользящем падении на касательный клин.

В п. 4.4.2 анализируется рассеяние на скругленном изломе. Приводятся графики зависимости степени поляризационной анизотропии от радиуса закругления для бесконечных клиньев с углами раствора 60 и 90. Данные для этих графиков получены из известного строго решения задачи рассеяния на скругленном клине. Из графиков сделан вывод о том, что в диапазоне углов наблюдения от касательной до нормали к поверхности излома изменения степени поляризационной анизотропии при увеличении радиуса закругления излома незначительны. Данный вывод очень важен для случая отражения от конической цели, поскольку в большинстве ракурсов, представляющих практический интерес, угол наблюдения находится в этом диапазоне. Для подтверждения этого вывода было проведено моделирование рассеяния на конусе и цилиндре со скругленными изломами с помощью компьютерной программы, основанной на методе моментов. Вышеуказанный вывод был подтвержден результатами моделирования. На рис. 5 приведена диаграмма степени поляризационной анизотропии конуса с углом у основания 60, радиусом основания R = 2, 4, радиусом закругления излома a = 0,2R. Левая половина диаграммы соответствует конусу без закругления. Из рисунка видно, что в диапазоне направлений облучения от образующей конуса до нормали к поверхности не наблюдается существенного уменьшения степени поляризационной анизотропии при закруглении основания конуса.

П. 4.5 посвящен моделированию поляризационных характеристик рассеяния выбранных типовых целей для подтверждения и уточнения качественных выводов о влиянии их особенностей на поляризационные характеристики рассеяния, а также для выделения наиболее информативных признаков для распознавания. Для моделирования компьютерная программа, разработанная автором (совместно с коллегами из РТИ им. Минца) и основанная на приближенных методах теории дифракции: методе физической оптики и методе краевых волн.

Данная программа позволяет за короткое время оценивать характеристики рассеяния целей, размеры которых больше или порядка длины волны. Краткое описание программы и результаты верификации приводятся в Приложении.

С помощью данной программы для каждой из целей были вычислены матрицы рассеяния для всех возможных ракурсов. Размеры целей были выбраны в пределах 1-8 длин волн. Размеры выбирались из тех соображений, чтобы не было кардинальных отличий их ЭПР, усредненных по ракурсу. Далее, предполагая ориентацию цели случайной и полагая все ориентации равновероятными, строились графики плотности распределения параметров оператора рассеяния (угол эллиптичности собственного базиса, степень поляризационной анизотропии, разность фаз коэффициентов отражения) для каждой из целей. Параметры оператора рассеяния вычислялись путем диагонализации матриц рассеяния как преобразованием конгруэнтности, так и преобразованием подобия. Показано, что соответствующие параметры оператора рассеяния, вычисленные двумя указанными способами, имеют схожие плотности распределения.

Анализ результатов моделирования показал, что наиболее информативным (в смысле внутренней информативности) параметром при распознавании рассмотренных типовых целей является степень поляризационной анизотропии.

Данный параметр при изменении ракурса меняется в широком диапазоне у всех целей кроме эллипсоида. В то время как другие параметры в большинстве ракурсов мало отличаются от нуля. На 6 представлены графики плотности распределения степени поляризационной анизотропии µ для конуса (1), для цилиндра (2) и для ракеты (3).

На рис. 7 ниже представлены графики распределений угла эллиптичности отраженного сигнала, измеряемого двухканальным радиолокатором, для конуса (1), для цилиндра (2) и для ракеты (3). Поскольку для конуса и цилиндра угол эллиптичности напрямую связан со степенью поляризационной анизотропии, естественно ожидать, что при изменении ракурса данных целей этот параметр будет меняться в широком диапазоне, что и подтверждается графиками распределения. Это доказывает внутреннюю информативность угла эллиптичности при распознавании рассмотренных типовых целей по данным двухканального радиолокатора.

Приложение содержит краткое описание и результаты верификации компьютерной программы, использовавшейся для моделирования характеристик рассеяния типовых целей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В рамках теории, описывающей матрицы рассеяния как матрицы отображения из одного линейного пространства векторов Джонса в другое, получены соотношения, позволяющие оценить характеристики оператора рассеяния по данным поляриметрического радиолокатора с произвольными поляризациями антенн. Выяснено, как проявляется электродинамическое свойство взаимности на данных поляриметрического радиолокатора в случае произвольных поляризаций приемной и передающей антенн. Предложен способ диагонализации матрицы рассеяния преобразованием подобия, и разъяснен физический смысл получаемых таким способом инвариантов оператора рассеяния. Исследовано влияние ошибок измерения матрицы рассеяния на измеряемые характеристики оператора рассеяния.

Предложены три оператора, связывающие векторы Джонса волн, распространяющихся в противоположных направлениях. Используя эти отображения, рассмотрены три способа выбора базисов для матрицы рассеяния, удобные в трех типовых группах задач. Показано, что ряд основных соотношений, связанных с матрицей рассеяния и излагаемых в литературе, является прямым следствием использования по умолчанию одного из рассмотренных способов выбора базисов. Предложены обобщения соглашений BSA и FSA на случай произвольных базисов.

Показано, что реполяризация радиолокационного сигнала, обусловленная кручением луча в тропосфере, мала ( 106 ), и нет необходимости учитывать ее на практике.

Получены формулы для восстановления матрицы рассеяния, по поляриметрическим данным, искаженным эффектом Фарадея, в случае произвольных поляризаций передающей и приемной антенн. Показано, что в случае, если влиянием эффекта Коттона-Мутона на измерения поляризационной матрицы рассеяния пренебречь нельзя, восстановить истинную матрицу рассеяния из измерений невозможно в принципе.

Получены характерные зависимости порядка величины эффектов Фарадея и Коттона-Мутона от направления луча, географической широты, дальности. Предложен эффективный способ решения уравнения, описывающего реполяризацию электромагнитной волны, распространяющейся в слабоанизотропной среде.

Показано, что основными геометрическими свойствами типовых целей РЛС дальнего обнаружения, влияющими на поляризационные характеристики рассеяния, является наличие или отсутствие осевой симметрии, а также наличие или отсутствие изломов поверхности. Для получения достоверных характеристик рассеяния целей с гладкой поверхностью необходимо использование поляриметрических данных, усредненных по нескольким измерениям.

Показано, что в диапазоне углов наблюдения от касательной до нормали к поверхности излома изменения степени поляризационной анизотропии при увеличении радиуса закругления излома незначительны. Этот вывод очень важен для случая отражения от конической цели, поскольку в большинстве ракурсов, представляющих интерес, угол наблюдения находится именно в этом диапазоне.

Показано, что в случае двухканального радиолокатора предпочтительной является круговая поляризация на излучение. Численное моделирование характеристик рассеяния показало, что угол эллиптичности принимаемого сигнала в случае двухканального радиолокатора, излучающего на круговой поляризации, является достаточно информативным параметром при распознавании типовых целей по данным двухканального радиолокатора.

С помощью моделирования характеристик рассеяния целей показано, что наиболее информативным (в смысле внутренней информативности) параметром при различении типовых целей РЛС дальнего обнаружения является степень поляризационной анизотропии. Остальные поляриметрические параметры могут быть информативны при различении некоторых классов целей (со сложной и простой геометрией, с наличием и отсутствием осевой симметрии) при условии, что погрешности их измерения достаточно малы по сравнению с их средним значением.

Публикации По теме диссертации опубликованы следующие печатные работы:

Олюнин Н.Н., Сазонов В.В. Некоторые вопросы радиолокационной поляриметрии // Нелинейный мир. 2011. Т. 5. №9. Стр. 301-309.

Олюнин Н.Н., Сазонов В.В., Виноградов А.Г. Оценка деполяризации, обусловленной горизонтальным градиентом показателя преломления в тропосфере // Нелинейный мир. 2010. №7. Стр. 451-455.

Олюнин Н.Н., Сазонов В.В., Виноградов А.Г. О деполяризации радиолокационных сигналов в ионосфере // Нелинейный мир. 2010. №6. Стр. 368Олюнин Н.Н., Сазонов В.В. Поляризационные свойства клиновидных рассеивателей // Труды РТИ им. академика А.Л. Минца. 2009. Выпуск 1(45).

5. Олюнин Н.Н., Сазонов В.В. Анализ информативности поляризационных признаков в задаче радиолокационного распознавания // Сборник докладов 3-й Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь», Москва, ИРЭ РАН, 26-30 октября 2009 г. Стр. 248-250.

6. Олюнин Н.Н., Сазонов В.В. Анализ информативности поляризационных признаков в задаче радиолокационного распознавания // Сборник докладов 3-й Всероссийской научно-технической конференции «Радиолокация и радиосвязь». Приложение. Электронное издание. Москва, ИРЭ РАН, 26-30 октября 2009 г. URL: http://jre.cplire.ru/jre/library/3conference/conf3rd.pdf (дата обращения 12.06.2011).

7. Олюнин Н.Н., Сазонов В.В. Распознавание радиолокационных целей по поляризационным признакам // Тезисы докладов 14 научно-технической конференции «Современные научно-технические проблемы и направления совершенствования вооружения и средств информационного обеспечения войск РКО». Кубинка, МВИРЭ КВ, 29 октября 2009 г. Стр. 186-188.

8. Олюнин Н.Н., Сазонов В.В. Некоторые случаи инвариантности энергетических характеристик волны, отраженной от стабильной радиолокационной цели // Труды 52-й научной конференции МФТИ. Москва-Долгопрудный, 27-28 ноября 2009 г. Стр. 275-277.

9. Олюнин Н.Н., Сазонов В.В. Использование поляриметрической информации для идентификации радиолокационных целей простой формы // Материалы 14-го международного молодежного форума «Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке». Харьков, 24-26 марта 2010 г. Стр. 38.

10. Олюнин Н.Н., Сазонов В.В., Виноградов А.Г. О деполяризации радиолокационных сигналов в ионосфере // Сборник докладов XVI международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж, 13-15 апреля 2010 г. Стр. 1881-1888.

11. Олюнин Н.Н., Сазонов В.В. Анализ поляризационной зависимости принимаемых сигналов двухканального поляриметрического радиолокатора // Сборник докладов XVI международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж, 13-15 апреля 2010 г. С. 1889Олюнин Н.Н., Сазонов В.В. Изменение поляризации при обратном рассеянии на скругленных изломах поверхности // Сборник докладов XVII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь». Воронеж, 12-14 апреля 2011 г.

13. Олюнин Н.Н., Сазонов В.В., Виноградов А.Г. Влияние деполяризации радиолокационного сигнала в ионосфере на измерения поляризационной матрицы рассеяния // Сборник трудов «Радиофизических научных чтенийконференций памяти Н.А. Арманда». Муром, 2010. Стр. 255-258.

14. Олюнин Н.Н. Извлечение информации о радиолокационной цели из поляризационной матрицы рассеяния. Отчет №1996. М.: ОАО «РТИ имени академика А.Л. Минца». 2009 г.

15. Олюнин Н.Н. Исследование влияния атмосферы на возможность распознавания радиолокационных целей по поляризационным признакам. Отчет №1997. М.: ОАО «РТИ имени академика А.Л. Минца». 2009 г.

Подписано в печать 14.09.2011 г.

Печать трафаретная Типография «11-й ФОРМАТ»

115230, Москва, Варшавское ш., www.autoreferat.ru