CC BY
156
2007
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника
№ 133
УДК 621.396
ОТРАЖАЮЩИЕ СВОЙСТВА И ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СЕЛЕКЦИИ НАЗЕМНЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ОБЪЕКТОВ В МИЛЛИМЕТРОВОМ И САНТИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ
А.Д. ЯМАНОВ
Статья представлена доктором физико-математических наук, профессором Козловым А.И.
Произведен анализ экспериментальных данных по отражающим свойствам наземных радиолокационных объектов в миллиметровом и сантиметровом диапазоне волн, а также показана возможность селекции целей на фоне подстилающей поверхности по поляризационным признакам.
Все поляризационные алгоритмы, направленные на повышение точности пеленгации, основаны на деполяризующих свойствах целей и подстилающей поверхности, либо отдельных «блестящих» точек целей [1]. Это позволяет при соответствующей обработке производить поляризационное усреднение отсчетов пеленга, а также повышать радиолокационный контраст цели на фоне подстилающей поверхности, что приводит к увеличению суммарного сигнала [2].
Для оценки эффективности поляризационных методов необходимы априорные знания деполяризующих свойств целей и подстилающей поверхности. Наиболее достоверными и информативными являются методы натурных измерений в реальных условиях, соответствующих радиолокационному наблюдению.
Увеличение радиолокационного контраста у=гц/<Гф, где Сц - ЭПР цели, а
Сф = Со • £ - ЭПР разрешаемой площади участка земной поверхности с целью (которая зависит от удельной ЭПР помеховых отражений Со и величины площадки £) определяется тем, что цель включает в свой состав совокупность граней, уголков, обладающих ярковыраженными деполяризующими свойствами [3], а для подстилающей поверхности эти отражения отсутствуют.
Таким образом, цель более «чувствительна» к поляризации падающего электромагнитного поля и ведет себя как преобразователь поляризации, а земная поверхность практически не изменяет поляризационную структуру поля.
Как показывает анализ экспериментальных исследований поляризационных характеристик подстилающих покровов в миллиметровом и сантиметровом диапазоне волн [4], различия Сгг и
Свв отсутствуют для земной поверхности, что подтверждает поляризационно-изотропный характер отражения от земной поверхности.
Для анализа деполяризующих свойств реальных целей были проведены измерения элементов МР при 1 = 3 см и 8 мм [1]. Измерения проводились в статическом поляризационном режиме с помощью макета двухканальной по поляризации РЛС. При измерении и обработке результатов измерения использовалась методика, представленная в работах [5; 6].
В качестве целей использовались: 1 - автобус ПАЗ-672М; 2 - автомобиль бортовой ЗИЛ-130; 3 - ТЗ; 4 - УАЗ-469. Первые два объекта исследовались для 1 = 3 см, а вторые - для 1 = 8 мм.
Измерения проводились на дальностях (0,6...2) км при в< 20. Ракурс целей менялся дискретно через 22,50 в секторе углов от 00 до 900 , для объектов 3 и 4 или оставался зафиксированным 00, 450 или 900 . Для объектов 1 и 2 измерения проводились в секторах: (75...90)°... (90...105)0... (0...375)0. Для объектов 3 и 4 измерялись Сгг, Свв, Сгв, Свг, а для объ-
ектов 1 и 2 соответственно С, С, Свв. Для измерений в качестве эталонов использовались наборы уголковых отражателей. Среднеквадратические ошибки измерений не превышали 2%. По результатам измерения были вычислены математические ожидания Г, Свв, ¿С , СВг, среднеквадратические отклонения указанных величин Д^, Авв, Дге, Авг. Результаты расчетов представлены на рис. 1 и рис. 2 [1].
Анализ полученных результатов показывает, что практически для всех случаев ЭПР целей при горизонтальной поляризации выше, чем при вертикальной: для объекта №1, в зависимости от сектора на (1,2. 5,2) дБ, а для объекта №2 на (0,4.2) дБ. При этом уровень кроссовой составляющей на (2.15) дБ ниже основной. Коэффициент деполяризации при ракурсе, близком к нулевому, для первой цели равен 0,2, для второй - 0,4, а при ракурсе, близком к 900, соответственно лежит в пределах (0,2.0,6) и (0,15.0,23). Видно, что соотношение С^/Свв при наблюдении объектов спереди равно 3,3, сбоку - (1,5. 2,5), а для объекта №2 - (0,9. 1,5). Указанное подтверждает возможность повышения точности пеленгации цели на фоне подстилающей поверхности по поляризационным признакам.
В работе [7] также были проведены экспериментальные исследования по снятию поляризационных характеристик различных типов объектов гусеничной и автомобильной техники в сантиметровом диапазоне волн.
Методика эксперимента заключалась в том, что на различных типах поляризации (5 - вертикальная, 1, 2 - круговая левого и правого направления вращения, 3, 4 - эллиптическая с углом наклона ±450 и г = 0,05), а приемный базис антенной системы настраивался последовательно на все 5 поляризаций. Таким образом, для каждого типа и ракурса объектов наблюдения были получены 25 измерений амплитуды отраженного сигнала при различных сочетаниях поляризаций приемной и передающей систем.
Рис. 1. Гистограммы и аппроксимирующие распределения элементов матрицы рассеяния
ЗИЛ-130
Рис. 2. Гистограммы и аппроксимирующие распределения элементов матрицы рассеяния
ПАЗ-672
Объектами наблюдения являлись:
• 1, 2, 4, 5 - гусеничные тягачи;
• 3, 6 - колесные спецмашины;
• 7 - уголковый отражатель;
• 8 - ровный участок местности с травяным покровом.
Полученные в результате эксперимента амплитудные измерения обеспечили возможность вычисления совокупности параметров Стокса для каждого вида поляризации на излучение.
Поскольку коэффициент эллиптичности поляризаций 3 и 4 мал, то они эквивалентны соответствующим линейным поляризациям. С учетом сделанных допущений были определены параметры Стокса [8]. Анализ экспериментальных данных показал, что амплитуды отраженных сигналов и значения параметров Стокса практически для всех типов целей имеют существенную зависимость от поляризации излучаемых сигналов и приемного базиса.
В ходе эксперимента исследовалась зависимость поляризационных характеристик принимаемой волны от изменения поляризации на излучение и от изменения ракурса. При изменении ракурса происходит как изменение общей ЭПР объекта, так и количества и вида деполяризующих отражателей, в то время как изменение поляризации на излучение приводит только к изменению интенсивности локальных отражателей в контуре цели (на участке подстилающей поверхности).
Исследуемый объект (гусеничный тягач) обладает максимальной асимметрией при ракурсах, близких к 0 и 270 — 3000, наименьшей - при ракурсах 90 —1200. Это обусловлено тем, что наибольшее количество деполяризующих элементов на нем расположено именно при этих углах наблюдения. Левый борт изделия практически не имеет на себе деполяризующих отражателей, что обуславливает примерное равенство амплитуд отраженных от него сигналов. В ряде работ [9; 10] было показано, что при излучении сигналов круговой поляризации кроссовая со-
ставляющая превышает основную. Анализ параметров Стокса показывает, что для 95% ракурсов эта закономерность подтверждается, причем величина этого превышения составляет порядка 3...9 дБ.
Для оценки влияния поляризации излучаемого сигнала на поляризационные характеристики принимаемой волны была построена совокупность поляризационных диаграмм [8]. В качестве объекта исследования был выбран объект №4 (гусеничный тягач), имеющий ракурс 00,300,900 и 3300, а также подстилающая поверхность. Для исследования ракурсной зависимости поляризационных характеристик объект №4 облучали сигналами различных поляризаций и изменяли ракурс от 00 до 3300 через 300. Анализ диаграмм (рис. 3, 4, 5) [7] показывает, что собственные поляризации как для объекта №4, так и для подстилающей поверхности в основном близки к линейным, однако, отражения от земли отличаются большей стационарностью.
45
135 135
в г
Рис. 3. Поляризационные характеристики сигнала отраженного объектом №4 при различных поляризациях излучения (а - ракурс 00, б - 300, в - 3300, г - 2700)
Приведенные данные подтверждают, что в сантиметровом диапазоне цели обладают ярко выраженной асимметрией и их поляризационные характеристики существенно зависят как от ракурса, так и от поляризации облучающей волны. Для подстилающей поверхности эти закономерности менее ярко выражены, что экспериментально подтверждает возможность селекции целей на фоне подстилающей поверхности по поляризационным признакам.
45 45
Рис. 4. Поляризационные характеристики Рис. 5. Поляризационные характеристики
сигнала, отраженного подстилающей сигнала, отраженного объектом №4
поверхностью при различных поляризациях излучения
ЛИТЕРАТУРА
1. Русинов В.Р. Наблюдение за наземными целями и их пеленгация радиолокаторами обзора летного поля в АСУ наземным движением, (Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук). - М.: МИИГА, 1992.
2. Островитянов Р.В., Басалов Ф.А. Статистическая теория радиолокации протяженных целей. - М.: Радио и связь, 1982.
3. Канарейкин Д.Б., Потехин В.А., Шишкин И.Ф. Морская полиметрия - Л.: Судостроение, 1968.
4. Яманов А.Д. Поляризационные характеристики подстилающих покровов в миллиметровом диапазоне волн // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №126, 2007.
5. Горелик А.Л., Барабаш Ю.Л., Кривошеев О.В. Селекция и распознавание на основе локационной информации. - М.: Радио и связь. 1990.
6. Хан Г., Шапиро С. Статистические модели в инженерных задачах; Под ред. В.В. Налимова. - М.: Мир, 1969.
7. Илюха С. А. Методы и устройства адаптивной поляризационной селекции малоразмерных наземных объектов (Дис. ... д-ра техн. наук). Тула: Тульское высшее артиллерийское инженерное училище им. Тульского пролетариата, 1996.
8. Богородский В.В., Канарейкин Д.Б., Козлов А.И. Поляризация рассеянного и собственного радиоизлучения земных покровов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981.
9. Штагер А.Е. Рассеяние радиоволн на телах сложной формы. - М.: Радио и связь, 1986.
10. Варшавкин М.Л., Кобак В.О. О взаимной корреляции поляризованных составляющих электромагнитного поля, рассеянного протяженным телом // Радиотехника и электроника. Т. 16, №2, 1971.
11. Козлов Н.И., Логвин А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн. Поляризационная структура радиолокационных сигналов. - М.: Радиотехника, 2007.
MILLIMETER AND CENTIMETER WAVE BACKSCATTERING PROPERTIES AND POLARIZATION SELECTION OF RADAR SURFACE OBJECTS
Yamanov A.D.
Backscattering properties data analysis of radar surface objects is given. Also the possibility of polarization selection of radar surface objects against a canopy background for millimeter and centimeter wave is shown.
Сведения об авторе
Яманов Антон Дмитриевич, 1984 г.р., окончил МГТУ ГА (2007), аспирант кафедры авиационных радиоэлектронных систем МГТУ Г А, автор 4 научных работ, область научных интересов - радиолокация.
