CC BY
95
УДК 621.396.96
ЭФФЕКТ «ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО СЛЕДА» СЛАБОКОНТРАСТНЫХ ЦЕЛЕЙ И ЕГО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОДТВЕРЖДЕНИЕ
А.И. КОЗЛОВ, В.Н. ТАТАРИНОВ, С.В. ТАТАРИНОВ, Н.Н. КРИВИН
Представлены данные экспериментальных исследований, подтверждающие наличие эффекта поляризационного следа для случая составных объектов, включающих протяжённые искусственные объекты, размеры которых превышают разрешаемый объём РЛС, такие как железные дороги, поезда, линии электропередач и т.п. Кроме того, в работе продемонстрирована невозможность объяснения эффекта следа с использованием классических методов статистической теории поляризации радиоволн.
Ключевые слова: поляризационный след, поляризационные характеристики.
1. Введение
В [1] для экспериментальных исследований использовался макет поляризационной РЛС, который был разработан В.А. Хлусовым [2] под научным руководством В.Н. Татаринова. Данная система реализовывала одновременное измерение ЭПР радарного объекта и коэффициента эллиптичности эллипса поляризации рассеянной волны ( К = tga, -1 < К < 1) за время т = 10 -6 с.
Кроме того, система обладала возможностью как чёрно-белого отображения радиолокационной карты с использованием только ЭПР на экране немерцающего индикатора, так и возможностью цвето-яркостного отображения поляризационно-энергетической информации на индикаторе. При этом цвет (от голубого, отвечающего величине К = -1, до красного, отвечающего К = +1) отображал поляризационную информацию, а интенсивность цвета (яркость) отображала ЭПР (ЯСБ) объекта. В системе была предусмотрена отдельная одновременная запись величин ЭПР и К, отвечающих разрешаемым элементам сканируемого пространства, в два поля памяти с возможностью дальнейшего отображения либо ЭПР (чёрно-белое), либо ЭПР плюс К (цвето-яркостное кодирование). Кроме того, имела место возможность вывода на экран индикатора только отметок от объектов, обладающих одинаковым значением поляризационного параметра К, т.е. была реализована аппаратная возможность поляризационной селекции радиолокационных объектов.
Необходимо отметить, что величины ЭПР и К представляют собой инварианты матрицы рассеяния радиолокационного объекта [3], в связи с чем они нечувствительны к вращению объекта в плоскости, перпендикулярной линии визирования.
Использование указанных возможностей привело к разработке математической теории эффекта следа и поляризационного контраста слабо отражающих объектов на фоне подстилающей поверхности, излагаемой в данной работе.
2. Поляризационный след составных протяжённых объектов на радиолокационных картах местности
Рассмотрим несколько примеров радиолокационных карт (РЛК) местности, на которой расположены искусственные объекты, обладающие протяжённостью, значительно превышающей разрешаемый объём РЛС. При этом эффективная поверхность рассеяния элементов протяжённых искусственных объектов не превышает ЭПР рассеивающей поверхности, что делает невозможным их обнаружение и выделение по энергетическим признакам. При цвето-яркостном отображении поляризационно-энергетических параметров составные объекты, включающие в себя слабо отражающие искусственные элементы, будут выделены на индикаторе цветом, отвечающим состоянию поляризации искусственного объекта [1]. Тогда последовательность составных объектов образует поляризационный след на индикаторе РЛС.
Используя систему селекции по поляризационному признаку, данный след можно отобразить на индикаторе отдельно, без отображения элементов РЛК, не содержащих искусственных объектов.
На рис. 1 приведено радиолокационное изображение лесистой местности, полученное в ходе лётных испытаний макета поляризационной РЛС [2]. Высота полёта около 2000 м, шкала дальности 0 ^ 10 км, сектор азимутального сканирования антенны -600 ^ 600 (преобразователь декартовых координат в полярные не использовался).
Рис. 1. Радиолокационная карта местности в режиме отображения ЭПР (чёрно-белое), время 14.36.58
В РЛС использовался индикатор телевизионного типа с немерцающим цвето-яркостным изображением. В режиме отображения ЭПР изображение имеет чёрно-белый вид. Каких-либо характерных объектов, обладающих ЭПР, достаточной для их контрастирования на фоне леса, на РЛК визуально не выделяется. Как было упомянуто выше, поляризационные и энергетические параметры сигналов, рассеянных элементами разрешения, регистрировались в двух отдельных системах памяти с возможностью выделения (селекции) поляризационного параметра в интервале значений -1 < К < 1.
Рис. 2. Радиолокационная карта местности в режиме отображения параметра К в области значений +0,8 + 1,0 (поляризационная селекция), время 14.36.58
На рис. 2 изображена РЛК местности в режиме поляризационной селекции величины коэффициента эллиптичности 0,8 < К < 1,0 в момент времени, совпадающий с получением РЛ изображения на рис. 1. Изображение цветное, но отсутствие возможности цветной печати обуславливает чёрно-белый отпечаток. Цвет отображаемых элементов составных объектов - красный.
Чётко видны поляризационные следы искусственных протяжённых объектов. С целью первичной классификации объектов воспользуемся сеансом калибровки РЛС. На рис. 3 приведена запись поляризационного параметра сигнала, рассеянного отдельной опорой ЛЭП.
Рис. 3. Калибровочная запись величины параметра К для отдельной опоры ЛЭП
Из данного рисунка следует, что опора ЛЭП соответствует значению коэффициента эллиптичности К » 1. Как было указано выше, при цвето-яркостном отображении РЛК красный цвет соответствует величине К = 1. Эта величина характерна для искусственного объекта, обладающего матрицей рассеяния вида [3; 4]
а 0
С (2)
0
(1)
Таким образом на РЛК (рис. 2) отселектирована и отображена система линий электропередачи. Необходимо отметить, что факт наличия ЛЭП в лесу был установлен в испытательном полёте при снижении до высоты «100 м.
а
Рис. 4. Радиолокационная карта городской застройки, включающей промышленную зону с двухколейной железной дорогой. Режим отображения - ЭПР, время 14.21.19
Ещё один пример РЛК с отображением ЭПР приведён на рис. 4. На данной РЛК ЭПР объектов практически эквивалентна, но при переходе в режим цвето-яркостного отображения чётко контрастируется и селектируется область синего цвета, отвечающая промышленной зоне с ведущей к ней двухколейной железной дорогой. Чёрно-белый отпечаток отселектированной зоны синего цвета приведён на рис. 5.
В соответствии с указанным выше, синий цвет отвечает области значений К »-1, что соответствует поляризационно-изотропным искусственным элементам, входящим в состав протяжённого объекта.
8РЕИ« 14.21.1»
КШЛГ-1
11 И
£
■г г
Д/Г"" "-'8<"•*•"' в .30 .¿о
Рис. 5. Поляризационный «след» протяжённого объекта (промзона и железная дорога),
время 14.21.19
3. Анализ результатов обработки экспериментальных данных с точки зрения существующей статистической теории поляризации электромагнитных волн
Итак, результаты экспериментальных исследований поляризационных параметров сигналов, рассеянных подстилающей поверхностью и составными объектами, продемонстрировали значительные изменения статистических характеристик коэффициента эллиптичности при наличии малоразмерного объекта, а именно: стремление среднего значения величины К суммарного сигнала к поляризационному параметру объекта, а также значительное снижение рассеяния, выражающееся в существенном уменьшении СКО измеряемого параметра.
К сожалению, статистическая теория поляризации электромагнитных волн, основанная и развитая в работах В.А. Потехина и В.А. Мелитицкого [5; 6] и далее в работах А.И. Козлова, А.И. Логвина, В. А. Сарычева, В.Н. Татаринова [7-10], не позволяет объяснить и предсказать обнаруженное экспериментально существенное изменение статистических характеристик поляризационных параметров составных РЛ объектов. В настоящем разделе статьи проведён анализ вариаций плотности вероятностей коэффициента эллиптичности, найденной в работе [6] для самых общих условий. К сожалению, даже самые простые варианты выражения для плотности вероятности К) чрезвычайно громоздки (подраздел 3.2.4 [6]). Поэтому рассмотрим только результаты численных расчётов, проведённых авторами. Исходным выражением для расчётов служит плотность вероятности в круговом поляризационном базисе, представляющая собой функцию ряда параметров [6]
Ш( К) = / (а1, Ь, Ь, Я), (2)
где Я - коэффициент корреляции проекций волны в круговом базисе; Ь 2 = с2/с 2 - отношение дисперсий проекций; а2 = Е2±/с2 - отношение детерминированной составляющей в каждой из проекций волны к дисперсии проекции Ь = а 2/а 1 .
В круговом поляризационном базисе величины с2,Еа2 отвечают проекции с левой кру-
^ 2 1->2 2 " говой поляризацией, а величины с 2, Е02, а 2 - проекции с правой круговой поляризацией.
Применительно к конкретной радиолокационной системе [2], которая использовалась в экспериментальных исследованиях, необходимо отметить следующее: излучаемый сигнал обладал правой круговой поляризацией, а рассеянный сигнал подвергался анализу в ортогональном круговом поляризационном базисе. Как упоминалось выше, измерительная система определяла модуль кругового поляризационного отношения Р(г) = ЕЯ(0/Е1 (г) = Е2(г)/Е 1(г)
дробно-линейное преобразование над которым обеспечивало измерение величины коэффициента эллиптичности -1 < < 1.
Результаты численного расчёта плотности вероятностей Ш( К) для случая отсутствия детерминированной составляющей ( а 1 = а 2 = 0 при отсутствии объекта) при различных значениях отношения дисперсий ортогональных составляющих приведены на рис. 6, 7 для двух величин коэффициента корреляции Я = 0 и Я = 0,9. Из этих рисунков следует, что функция Ш( К) симметрична относительно нуля при равных значениях дисперсии а 2 = а 2 поляризаци-онно-ортогональных составляющих. Увеличение коэффициента корреляции приводит к уменьшению разброса. Плотность вероятностей становится ассиметричной при отличии величины
Ь 2 = а 2/а 2 от единицы. Формы Ш(К) для значений И 2 = 10;4;1;0,25; 0,1 также приведены на
рисунках.
Ь2=10 11=4 Ь2=1 Ь2=0,25 Ь2=0,1
I I ^^
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 Рис. 6. Плотность вероятностей УУ(К); Я = 0; а 1 = а 2 = 0
-1 -0.5 0 0.5 1
Рис. 7. Плотность вероятностей К); Я = 0,9; а 1 = а 2 = 0
Рис. 8. Плотность вероятностей Ш( К); Я = 0; а 1 = 1, Ь = 0, а 2 = 0
Сравнивая рис. 6, 7 с гистограммами коэффициента эллиптичности сигнала, рассеянного морской поверхностью ([1], рис. 3а, волна 0,2 м; рис. 6а, волна 0,5 м), нетрудно видеть, что значение параметра Ь 2 »1, что следует из факта симметрии гистограмм величины К. Можно также сделать вывод, что рис. 3а и 6а свидетельствуют о частично когерентном рассеянии, близком к спеклу (все номера рисунков соответствуют [1]).
Рассмотрим теперь плотность вероятности Ш(К), изображённую на рис. 8, для значения параметров а 1 = 1, а 2 = 0, Ь = 0. Значение параметров а 1 = 1, а 2 = 0 при экспериментальных ис-
следованиях означает, что при излучении волны правой круговой поляризации и её рассеянии поляризационно-изотропным объектом (цилиндрический буй) поляризация рассеянной волны будет круговой с левым направлением вращения. Полагая, что имеет место случай равенства ЭПР буя удельной ЭПР морской поверхности, нетрудно видеть, что отношение мощности детерминированной составляющей левой круговой поляризации к мощности случайной составляющей есть а2 = E о 2 »1, а отношение a| = Eо2 » 0, откуда b = a2/a 1 = 0. Как и ранее,
параметр h2 в данном случае равен единице. При этих условиях видно, что мода плотности вероятности W( K) при наличии искусственного объекта на поверхности моря расположена в точке K» —0,2, тогда как из рис. 3б, 6б [1] следует, что мода гистограммы W(K) для составного объекта смещается до значения —0,7 + —0,8, т. е. стремится к значению K ® —1.
Таким образом, расчёты, проведённые с использованием результатов статистической теории поляризации электромагнитных волн, не позволяют объяснить эффекта, который имеет место при рассеянии волн составными объектами и названный нами эффектом поляризационного «следа».
Заключение
На основании изложенного сформулируем задачу дальнейшего исследования в следующем виде: необходимо разработать теоретическое обоснование эффекта поляризационного «следа», имеющего место при рассеянии электромагнитных волн составными объектами и дающего возможность повышения контраста радарной карты.
ЛИТЕРАТУРА
1. Козлов А.И., Татаринов В.Н., Татаринов С.В., Кривин Н.Н. «Поляризационный след» при рассеянии ЭМВ составными объектами / Статья в данном Вестнике.
2. Хлусов В.А. Моноимпульсные измерители поляризационных параметров радиолокационных объектов: дис. ...канд. техн. наук. - Томск, 1989.
3. Татаринов В.Н., Татаринов С.В., Лигтхарт Л.П. Введение в современную теорию поляризации радиолокационных сигналов // Поляризация плоских ЭМВ и её преобразования. - Томск: изд-во Томского государственного университета, 2006. -Т. 1.
4. Кобак В.О. Радиолокационные отражатели. - М.: Сов. радио, 1975.
5. Канарейкин Д.Б., Павлов Н.Ф., Потехин В.А. Поляризация радиолокационных сигналов. - М.: Сов. радио, 1966.
6. Поздняк С.И., Мелитицкий В.А. Введение в статистическую теорию поляризации радиоволн. - М.: Сов. радио, 1974.
7. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн. Поляризационная структура радиолокационных сигналов. - М.: Радиотехника, 2005. - Т. 1.
8. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн. Радиолокационная поляриметрия. - М.: Радиотехника, 2007. - Т. 2.
9. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн. Радиополяриметрия сложных по структуре сигналов. - М.: Радиотехника, 2008. - Т. 31.
EFFECT POLARIZATION TRACK IN CASE WAVES SCATTERING
Kozlov A.I., Tatarinov V.N., Tatarinov S.V., Krivin N.N.
The article second part is devoted to experimental data presentation which is confirming polarization track effect for the case of composite radar objects that are having the sizes considerable exceeding radar resolution area. Besides in this part an impossibility of existing statistical polarization theory method for the track effect explanation is demonstrated.
Key words: polarization track, polarization chracteristics.
Сведения об авторах
Козлов Анатолий Иванович, 1939 г.р., окончил МФТИ (1962), профессор, доктор физико-математических наук, Соросовский профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ, академик Академии транспорта РФ и Международной академии информатизации, советник ректора МГТУ ГА, автор более 300 научных работ, область научных интересов - радиофизика, радиополяриметрия, радиолокация.
Татаринов Виктор Николаевич, 1941 г.р., окончил ТУСУР (1964), доктор технических наук, профессор, действительный член Академии электромагнетизма (Массачусетс, США), заведующий кафедрой конструирования и производства радиоаппаратуры ТУСУР, автор более 200 научных работ, область научных интересов - теория когерентности и поляризации электромагнитного поля, статистическая радиофизика, рассеяние волн сложными объектами, поляризационная радиолокация.
Татаринов Сергей Викторович, 1969 г.р., окончил ТУСУР (1994), кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и производства РЭА ТУСУР, автор более 80 научных работ, область научных интересов - статистическая теория поляризации при рассеянии волн сложными объектами.
Кривин Николай Николаевич, 1985 г.р., окончил ТУСУР (2007), преподаватель кафедры конструирования и производства РЭА ТУСУР, автор 12 научных работ, область научных интересов - теория поляризационного контраста малоразмерных объектов на подстилающей поверхности.
