CC BY
12Электродинамика и антенные системы
УДК 621.396.67
Анализ погрешности измерения радиояркостного контраста
методом диаграммной модуляции в системах пассивной тепловой радиолокации Федосеева Е.В.
Аннотация: Приведены результаты численной оценки погрешности измерения радиояркостного контраста, обусловленной перераспределением неизотропной и изотропной частей области рассеяния ДН антенны и верхнего и нижнего полупространств при формировании сигнала компенсации помеховой составляющей входного сигнала системы пассивной тепловой радиолокации методом диаграммной модуляции.
Ключевые слова: метод диаграммной модуляции, радиояркостный контраст, неизотропная и изотропная части области рассеяния ДН антенны.
The analysis of an error of measurement of the radio brightness contrast a method of chart modulation in systems of a passive thermal radar-location
Fedoseeva E.V.
Abstract: Sources of an error of compensation of a contribution of background noise in an entrance signal of radiometric system are analysed by a method of chart modulation. Ratios for an aprioristic assessment of size of an error of compensation of background noise are offered and results of a numerical assessment of an error of measurement of the radio brightness contrast, the caused redistribution not isotropic and isotropic part of area of dispersion of the directional pattern of the antenna and the top and bottom halfspaces are given when forming a signal of compensation of an interfering component of an entrance signal of radiometric system by a method of chart modulation.
Key words: method of the chart modulation, the radio brightness contrast, not isotropic and isotropic part of area of dispersion of the directional pattern of the antenna.
Введение
Важной задачей при проведении дистанционного зондирования природных сред методами пассивной тепловой радиолокации является задача выделения информационной составляющей входного сигнала радиотепло-локационной системы. Сложность ее решения состоит в том, что при ограниченной пространственной селективности антенны входной сигнал системы содержит помехо-вые составляющие, обусловленные приемом через область рассеяния диаграммы направленности (ДН) антенны радиошумового излучения окружающего антенну пространства. В результате и информационная и по-меховая составляющие входного сигнала имеют одинаковый шумовой характер, по-
этому известные методы частотной и временной селекции, применяемые в активной радиолокации для выделения информационного сигнала, в данном случае оказываются неприменимы.
В пассивной тепловой радиолокации для исключения влияния фоновых помех, создаваемых радиошумовым излучением окружающего пространства, используются методы пространственной селекции путем компенсации помеховой составляющей входного сигнала. При этом специально в системе формируется дополнительный сигнал компенсации, равный по величине помеховой составляющей входного сигнала в режиме измерений [1-3].
Один из наиболее известных методов выделения информационной составляющей
входного сигнала систем пассивном тепловой радиолокации - метод диаграммной модуляции, в котором формирование сигнала компенсации происходит при приеме радиошумового излучения окружающего пространства из области, свободной от объекта зондирования [1]. Разностный выходной сигнал системы оказывается пропорциональным радиояр-костному контрасту исследуемого объекта. Но требование адекватности дополнительного сигнала компенсации помеховой составляющей входного сигнала задает ограничения на область применения метода диаграммной модуляции, обусловленные в основном изменением взаимного расположения антенны и неоднородного окружающего пространства.
В связи с этим для возможности оценки применимости метода диаграммной модуляции при исследовании природных объектов необходимо решить задачу определения погрешности измерения радиояркостного контраста в зависимости от угловых размеров и расположения объекта относительно границы полупространств, исходя из характеристик направленных свойств антенны и соотношения радиояркостных температур полупространств.
Постановка задачи
При измерении радиояркостного контраста методом диаграммной модуляции главный лепесток ДН антенны периодически наводится на исследуемый объект и область, соседнюю с ним (рис.1).
При небольших углах отклонения уровень сигналов, принимаемых по боковым лепесткам ДН антенны с двух направлений 01 и 02, одинаков, и при нахождении разности двух входных сигналов происходит полная компенсация помеховой составляющей входного сигнала системы. При значительном изменении взаимного расположения антенны и неоднородного окружающего пространства при формировании дополнитель-
ного сигнала компенсации последний отличается от компенсируемой помеховой составляющей, а величина их разности равна погрешности измерения радиояркостного контраста методом диаграммной модуляции.
Рис. 1. К методу диаграммной модуляции а - антенна направлена на исследуемую область (объект); б - объект вне главного лепестка ДН антенны
Указанную погрешность в общем случае можно задать следующим образом: А Т = Та1(01) - Т а2 (02) =
= (Тфв (01) - Тфв (02)) Д + (Тфн (01) - Тфн (02)) Д + + X (ТЯ1 (01)Д (01) - ТЯ1 (02)Ья (02)), (1)
I
где 01 и 02 - угловые направления на исследуемый объект и соседнюю с объектом область, соответственно; Тфв и Тфн - рядио-
яркостные температуры верхнего и нижнего полупространств относительно плоскости раскрыва антенны; Д и Д - коэффициенты рассеяния антенны в верхнее и нижнее полупространства; Тя - радиояркостные температуры областей пространства с существенным радиояркостным контрастом по отношению в однородному окружающему фону;
- коэффициенты рассеяния области пространства с радиояркостным контрастом по отношению к окружающему однородному фону.
При оценке величины погрешности измерения радиояркостного контраста методом диаграммной модуляции можно выделить две ситуации, различающиеся по условиям зондирования природных объектов:
- высокотемпературный фон в области изотропной части ДН антенны, например,
при зондировании атмосферы или объектов, находящихся в ней, с поверхности земли;
- низкотемпературный фон в области изотропной части ДН антенны, например, при радиотеплолокационном исследовании поверхности земли с борта самолета или из космоса.
При формировании сигнала компенсации при выборе дополнительного углового направления в2 должны быть соблюдены следующие условия:
- главный лепесток должен быть выведен за пределы области исследования на угол не менее полуширины главного лепестка ДН по нулевому уровню в0 ;
- расположение объекта исследования должно обеспечивать минимум прироста излучения, принимаемого по области рассеяния, что актуально в случае исследования объектов с высоким радиояркостным контрастом по отношению к окружающей области пространства, следовательно, в рассмотренном случае область первых боковых лепестков также должна быть за пределами углового сектора, занимаемого объектом.
Таким образом, при радиояркостном зондировании области пространства с угловым размером #ист, обладающей радиояркостным контрастом, угловое расстояние между двумя направлениями зондирования А0 должно быть не менее (вист + 0о)/2 или в случае высокотемпературного контраста области (объекта) (вист +Зо)/2 + в1бок , где в1бок - верхняя
угловая граница первого бокового лепестка.
Математическая модель погрешности
измерения радиояркостного контраста методом диаграммной модуляции
Основной причиной появления погрешности измерения радиояркостного контраста методом диаграммной модуляции является изменение взаимного расположения изотропной и неизотропной частей области рассеяния ДН антенны и границ полупространств со значи-
тельно различающимися излучательными свойствами.
Изменение взаимного расположения ДН антенны и верхнего и нижнего полупространств показано на рис.2.
^___ _ - В2
у
,'.. I _д
\ " /л©я
т„рк„„ж
Рис. 2. К оценке погрешности измерения радиояркостного контраста методом диаграммной модуляции
(2)
На рис. 2 введены угловые секторы авн и аве, в пределах которых происходит изменение уровня принимаемого радиошумового сигнала, что в основном определяет возникающую погрешность сигнала компенсации. Абсолютная величина погрешности сигнала компенсации в таком случае может быть оценена по формуле
А АР#в (Тяркверх Т яркниж) +
+ А (т - Т )
Рвн V яркниж яркверх р
где арв и арв - относительная величина
суммарной мощности, принимаемая по угловым секторам авн и авв, соответственно.
Анализ выражения (2) показывает, что величина и знак погрешности сигнала компенсации зависит от соотношения радиояркост-ных температур верхнего Тяркверх и нижнего
Тяркниж полупространств. Для проведения
численной оценки погрешности были введены величины разности радиояркостных температур верхнего и нижнего полупространств аТвн. Причем в случае высокотемпературного фона нижнего полупространства будет наблюдаться прирост выходного сигнала радиотеплолокационной системы по сравнению с измеряемым, а в случае низкотемпературного фона - уменьшение сигнала.
Кроме того, величина погрешности может изменяться при перемещении объекта исследования и соответствующем изменении направления формирования сигнала компенсации.
Для численной оценки погрешности сигнала компенсации необходимо определить зависимость относительной величины мощности АР0, принимаемой из полупространства, не содержащего объект исследования, от углового положения верхней границы неизотропной части области рассеяния ДН, расположенной в указанном полупространстве 0вн (рис.2). В качестве диапазона возможных значений 0вн была принята угловая область от верхней границы первого бокового лепестка до начала изотропной части области рассеяния ДН антенны (для антенн с малой шириной главного лепестка) или до границы нижнего полупространства (для антенн с широким главным лепестком).
Для численной оценки погрешности сигнала компенсации может быть использована величина
А = А^ -ат;н . (3)
Возможность применения оценочной формулы (3) вместо более точного выражения (2) объясняется значительно большей величиной второго слагаемого по сравнению с первым в выражении (2). Кроме того, выражение (3) позволяет получить численные значения оценки погрешности сигнала компенсации и для случая высокотемпературного, и для случая низкотемпературного нижнего фона, разница состоит только в знаке величины а .
Анализ результатов оценки погрешности измерения радиояркостного контраста методом диаграммной модуляции
Для более полного представления о величине погрешности измерения радиояркостного контраста методом диаграммной модуляции были рассмотрены две антенны с относительно невысокой пространственной селек-
тивностью - с шириной главного лепестка ДН 6° и 20°. Для данных антенн существенно различается расположение границ изотропной и неизотропной частей области рассеяния ДН относительно полупространств - атмосферы и подстилающей поверхности.
Для антенны с шириной ДН по уровню половинной мощности 6° положение границы неизотропной части области ДН было принято от верхней границы первого бокового лепестка 8° до нижней границы четвертого бокового лепестка 33°, а для антенны с шириной ДН по уровню половинной мощности 20° - верхняя граница первого бокового лепестка соответствует направлению 27.5°, а в качестве нижней границы принято направление 90° - граница между верхним и нижним полупространствами.
На рис. 3 и 4 представлены результаты расчета относительной величины мощности, принимаемой из неизотропной части области рассеяния ДН антенны с шириной главного лепестка по уровню половинной мощности 6° и 20°.
Рис. 3. Относительная величина суммарной мощности, принимаемой по угловому сектору А0н и антенной с шириной ДН по уровню половинной мощности 6°
Для анализа абсолютной погрешности измерения радиояркостного контраста методом диаграммной модуляции были получены угловые зависимости величины погрешности А для антенн с шириной ДН по уровню половинной мощности 6° и 20° при значениях разности радиояркостной температуры двух полупространств аТвн - 50 К, 100 К и 200 К. Результаты расчета величины погрешности
измерения радиояркостного контраста представлены на рис. 5 и 6.
чения другого уровня, соответствующего излучению нижнего полупространства.
Рис. 4. Относительная величина суммарной мощности, принимаемой по угловому сектору а0н и антенной с шириной ДН по уровню половинной мощности 20°
Рис. 5. Погрешность измерения радиояркост-ного контраста системы с антенной с шириной ДН по уровню половинной мощности 6° в зависимости от положения верхней границы неизотропной части области рассеяния ДН 0вн и от величины разности радиояркостных температур АТвн : 1 - АТвн = 50К, 2 -АТвн = 100К, 3 - А Твн = 200К
Графики, приведенные на рис.5 и 6, показывают существенно нелинейную зависимость погрешности измерения радиояркост-ного контраста от углового направления его формирования. Наибольшие значения погрешности имеют место, когда дополнительное направление 02 располагается вблизи границы с другим полупространством и через неизотропную часть области рассеяния ДН, т.е. через первые боковые лепестки ДН, осуществляется прием радиошумового излу-
Рис. 6. Погрешность измерения радиояркост-ного контраста системы с антенной с шириной ДН по уровню половинной мощности 20° в зависимости от положения верхней границы неизотропной части области рассеяния ДН 0вн и от величины разности радиояркостных температур АТвн : 1 - АТвн = 50К, 2 -А Твн = 100К, 3 - А Твн = 200К
Величина погрешности сигнала компенсации также определяется угловой зависимостью уровня радиояркостного излучения природных сред. Согласно [4], в секторе углов от 0° до 20°, отсчитываемых от поверхности земли, величина радиояркостной температуры в сантиметровом диапазоне длин волн изменяется в зависимости от поляризации:
- для асфальтового покрытия в пределах от 100 К до 260 К;
- для песчаной почвы в пределах от 60 К до 280 К;
- для травяного покрытия в пределах от 200 К до 290 К.
В результате такой зависимости радиояр-костной температуры от угла высоты дополнительно будут наблюдаться вариации уровня сигнала компенсации при условии значительного изменения взаимного расположения окружающего пространства и ДН антенны.
Заключение
Анализ полученных результатов показывает, что даже при принятии однородной формы распределения радиояркостной температуры в граничащих полупространствах величина погрешности может достигать 5 К, что существенно превышает чувствительность современных радиометров.
Таким образом, метод диаграммной модуляции может быть применен для компенсации влияния фонового излучения на результаты измерений при условии применения высоконаправленной антенны при исследовании объектов с малыми угловыми размерами, достаточно высоко поднятых над поверхностью земли, или при проведении измерений с борта летающего аппарата в угловой области, близкой к вертикальному направлению.
Литература
1. Фалин В.В. Радиометрические системы СВЧ. М.: Луч, 1997. 440 с.
2. Федосеева Е.В. Погрешности компенсации фоновых шумов в СВЧ радиотеплолокационных измерениях // Радиопромышленность. 2012, Выпуск 2 С.105 -113.
3. Федосеева Е.В., Щукин Г.Г. Оценка влияния неточности компенсации фонового шума на погрешность относительных радиотеплолокацион-ных измерений // Научный вестник МГТУ ГА. 2012, Вып. 186. С. 53-61.
4. Радиотеплолокация в метеорологии / В.Д. Степаненко, Г.Г.Щукин, Л.П. Бобылев, С.Ю. Матросов. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 283 с.
References
1. Falin V.V. Radiometrycheski e sistemy SVCH. M.: Luch 1997, 440 p.
2. Fedoseeva ЕУ. Radiopromyshlenost. 2012, 2, pp. 105-113.
3. Fedoseeva ЕУ., Shchukin G.G. Nauchnyy vestnik MGTU GA. 2012, 186, pp. 53-61.
4. Stepanenko V.D., Shchukin G.G., Bobylev L.P., Matrosov S.U. Radioteplolokacia v meteorologii. L.: Gidrometeoizdat, 1987, 283 p.
Поступила 16 сентября 2012 г.
Информация об авторах
Федосеева Елена Валерьевна - кандидат технических наук, доцент Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых».
Адрес: 602264 Муром, ул. Орловская, д. 23.
E-mail: [email protected].
Fedoseeva Elena Valerievna - candidate of technical sciences, assistant-professor Murom institute (branch) «Vladimir state university named after Alexander and Nickolay Stoletovs».
Address: 602264 Murom, st. Orlovskaya, h. 23.
