Поляризационная селекция локационных сигналов для трасcологических наблюдений Текст научной статьи по специальности «Физика»

устаревания, среди всех реализаций, поступивших на обработку.

Представленный алгоритм "трассовой" обработки данных РМ реализует формализованное описание многоэтапного процесса обработки, в котором последовательность процедур обработки зависит от случайного набора параметров входной вектор-реализации признаков источника радиоизлучения и интенсивности входного потока данных РМ.

Новый подход к организации обработки данных РМ заключается в применении способа "трассовой" обработки данных радиомониторинга, основанного на оригинальной "мозаич-

ной" схеме накопления и учёта ранее добытой информации. Это позволяет осуществлять обработку входных реализаций за один проход, что обеспечивает достижение требуемых показателей своевременности обработки и определяет значимость и новизну работы. Значительное уменьшение времени на обработку входной реализации, учёт данных от всех доступных средств РМ и результатов предыдущих циклов обработки позволяют устранить упущения в её полноте. Сведение имевшихся ранее отдельных несвязанных процедур в один алгоритм обеспечивает комплексную автоматизацию процесса обработки данных радиомониторинга.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Радзиевский В.Г., Сирота А.А. Теоретические основы радиоэлектронной разведки. М.: Радиотехника. 2004. 432 с.

2. Иванов А.А., Кудрявцев А.М., Смирнов А.А., Удальцов Н.П. Способ "трассовой" обработки данных радиомониторинга среды со случайными параметрами // Информация и Космос. 2009. № 4. С. 10-14.

3. Андросов В.В., Кудрявцев А.М., Федянин

А.В. Оценка плотности распределения радиоэлектронных средств на местности с целью радиомониторинга // Научно-технические ведомости СПбГПУ 2006. № 6 С. 139-141.

УДК 621.396.969.3

И.Ф. Шишкин, А.Г. Сергушев

ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ СЕЛЕКЦИЯ ЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ТРАССОЛОГИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ

В условиях сильного морского волнения или шторма происходит интенсивное образование так называемого приводного гидрометеора (пена, "барашки", брызги и т. п.), затеняющего мелкоструктурные составляющие морского волнения (ряби) в спектре морского волнения, на фоне которого на морской поверхности наблюдаются следы движущихся судов [1-8]. В этих условиях радиолокационная видимость следов ухудшается и, как следствие, уменьшается вероятность их правильного обнаружения при контрастном приёме [9]. Для селекции отражений от ряби целесообразно использовать поляризационную селекцию радиолокационных сигналов.

Поляризационная селекция радиолокационных сигналов на фоне отражений от взволно-

ванной морской поверхности связана с влиянием взволнованной поверхности моря на поляризацию облучающей волны и на поляризацию отражённых сигналов. Теоретической моделью, наиболее полно соответствующей условиям рассеяния радиоволн морской поверхностью, может служить двухмасштабная модель [2], представляющая взволнованную морскую поверхность, как суперпозицию двух статистически шероховатых поверхностей.

Одна из этих поверхностей считается крупномасштабной и гладкой (зыбь). Статистические параметры её (дисперсия случайной высоты и пространственный радиус корреляции) выбираются в соответствии с параметрами большого морского волнения (длина и высота волн, на-

правление их распространения). В математическом отношении эта случайная поверхность должна быть настолько гладкой, чтобы удовлетворять условиям Кирхгофа.

Параметры другой поверхности выбираются такими, чтобы их можно было рассматривать как малые отклонения от средних величин, соответствующих первой поверхности. Это условие позволяет производить расчёт рассеянного поля с помощью теории возмущений. Физически второй случайной поверхности соответствуют мелкомасштабные неоднородности морской поверхности (рябь), расположенные на гребнях и скатах крупных волн.

Применение описанной модели позволяет учесть преобразование поляризации при рассеянии радиоволн взволнованной морской поверхностью и получить согласующиеся с практикой результаты почти во всех радиолокационных диапазонах.

Как известно [11], отражённые морской поверхностью радиолокационные сигналы непрерывно флюктуируют. Это является основным фактором, определяющим случайные изменения поляризации облучающей электромагнитной волны.

Введём в рассмотрение матрицу поляризационного рассеяния [10], учитывающую случайные изменения поляризации облучающей волны. Пусть флюктуирующей морской цели соответствует в поляризационном базисе статистическая

матрица рассеяния вида {±

N(0 =

¿„(0 п120) чп21(/) п22(0

(1)

элементы которой п^(?) (р, q = 1, 2) являются комплексными случайными функциями времени.

Матрица (1) определяет связь между облучающей и отражённой волнами, причём при произвольной степени поляризации облучающей волны, отражённая волна будет поляризована частично.

В равной степени статистическая матрица рассеяния (1) может быть представлена вектором в комплексном пространстве:

N(0 =

'мо' ¿12(0 П21(0

(2)

Пользуясь векторной записью статистической матрицы рассеяния N(0, легко получить всю совокупность характеристик, необходимых для описания энергетических и спектральных свойств матрицы рассеяния флюктуирующей цели, образующих вектор в восьмимерном комплексном пространстве [10]

т2);

(3)

где блоки ЩП), (п = 1,2) являются векторами вида (2) в два различных момента времени.

Как известно [10], в случае стационарно флюктуирующих целей, к которым относится и морская поверхность, математическое ожидание в определённый момент времени, являющееся характеристикой процессов вида п ф, определяется следующим образом:

м[Л(о]=

Я21 Ч822У

= 8;

(4)

(т[ +

(5)

где первое слагаемое характеризует флюктуации вектора

1Ч0(?) = N(0 - 8, (6)

а второе определяется элементами матрицы неслучайных преобразований поляризации 8. Блоки Й(0) состоят из энергетических характеристик вектора (6) - дисперсий его компонент и комплексных коэффициентов корреляции между ними:

*(о)=

( гг2 Г1112 Г1121 Г1122

Г1211 „2 12 Г1221 Г1222

Г2111 Г2112 „2 21 Г2122

ЧГ2211 Г2212 Г2221 „2 22 у

(7)

Блоки К(т) содержат диагональные элементы, представляющие собой функции автокорреляции

компонент вектора (2), и остальные элементы, являющиеся функциями взаимной корреляции:

/Г„

вд=

ЧГ2211

М

2(х) 2(х)

ж(х)

Гшг^У 222 ) ^2122 (Т) ¿2222

(8)

Аналитические выражения для некоторых элементов корреляционной матрицы вида (7) были получены в [11] и соответствуют двухмасштабной модели статистически шероховатой поверхности моря. Вычисления выполняются в линейном базисе [ех, еД один из ортов которого перпендикулярен плоскости падения (горизонтальная поляризация), а второй лежит в этой плоскости (вертикальная поляризация). В описанном базисе корреляционная матрица (7) принимает вид:

»о =

ЧК21

И

22 У

ЧГху**

ххух

з2

ух

хуух

ухху

УЧУ

Г

хууу

о2

УУ У

(9)

Матрица (9) является матрицей эрмитовского типа. Её вещественные элементы ок1(к,1 = ху), лежащие на главной диагонали, имеют смысл отношения потока энергии (для компоненты ек поля, рассеянного единицей площади морской поверхности в единицу телесного угла), к плотности потока энергии облучающей волны, поляризация которой определяется ортом е1. Это отношение и определяет удельную эффективную площадь рассеяния (ЭПР) морской поверхности. Недиагональные элементы матрицы (9) представляют собой комплексные коэффициенты взаимной корреляции различных элементов статистической матрицы рассеяния вида (1).

Диагональные блоки R11 и R22 рассматриваемой корреляционной матрицы пропорциональны соответственно матрицам когерентности для отражённых радиолокационных сигналов при облучении поверхности волнами, поляризации которых определяются первым и вторым ортами используемого базиса.

Зависимость удельных ЭПР морской поверхности от угла скольжения рассмотрим для трёх случаев:

облучение поверхности моря и приём сигналов производятся с помощью горизонтально поляризованной антенны (о2 );

облучение поверхности моря и приём сигналов производятся с помощью вертикально поляризованной антенны (о2^);

облучение поверхности моря производится с помощью вертикально (горизонтально) поляризованной антенны, а приём сигналов - с помощью горизонтально (вертикально) поляризованной антенны (о2^ или о2^); по принципу взаимности предполагается равенство о2ху = о2^.

Крупномасштабная статистически шероховатая поверхность характеризуется среднеква-дратическим значением тангенса угла наклона крупных волн tgy. Для описания мелкомасштабной поверхности (ряби) используется величина ок (среднеквадратическое отклонение поверхности от средней плоскости, составляющей угол у с горизонтальной плоскостью). Рябь, кроме того, характеризуется величиной относительного пространственного радиуса корреляции к1, где 2я

к = —— - волновое число, 1 - абсолютная величина X

пространственного радиуса корреляции. Волнение моря предполагается при этом изотропным.

При углах скольжения, меньших 60°, когда исключена возможность изотропного в поляризационном смысле зеркального радиолокационного отражения, рассчитываемого по методу Кирхгофа, основная часть отражённого сигнала обусловлена мелкомасштабной резонансной рябью. Резонанс здесь следует понимать в том смысле, что в обратном рассеянии участвуют лишь те неровности морской поверхности, волновые числа которых х связаны с волновым числом облучающего электромагнитного поля к соотношением:

X = 2к cos

(10)

Если рябь обладает широким пространственным спектром, ЭПР на некоторой частоте определяется спектральной плотностью тех составляющих ряби, для которых справедлива формула (10).

При 0 < 60° характерно превышение удельной ЭПР для вертикальной поляризации над удельной ЭПР для горизонтальной поляризации. Для углов 0, меньших 30°, удельная ЭПР для горизонтальной поляризации передающей и приёмной антенн становится меньше, чем в случае, когда передающая и приёмная антенны поляризованы ортогонально друг другу. В свою очередь, перекрёстно поляризованная компонента отраженного сигнала, опре-

деляемая величиной о

о2^, стремится к нулю

при углах визирования, близких к вертикали.

При вращении плоскости поляризации радиоволн, излучаемых радиолокатором, интенсивность радиолокационных отражений от морской цели постепенно меняется от некоторого максимального до минимального значения. Интенсивность же отражений от морской поверхности, облучаемой под скользящими углами, не зависит от ориентации плоскости поляризации радиоизлучения. Таким образом, вращая плоскость поляризации, можно по характеру сигнала, отражённого от стробированного участка водной поверхности, получить представление о наличии или отсутствии на нём реальной цели [13, 14]. Так при облучении реальной цели линейно поляризованной волной с различными ориентациями вектора напряжённости электрического поля, конец вектора напряжения на выходе приёмной антенны радиолокационной станции описывает эллипс, в то время как при облучении морской поверхности под скользящими углами и при волнении моря больше 2-3 баллов он описывает окружность. Последнее следует из анализа общего выражения для удельной эффективной площади рассеяния морской поверхности: о = о + од, где ор - часть ЭПР моря, определяемая наличием ряби на поверхности крупных волн; од - часть ЭПР, определяемая брызгами, гребнями и другими образованиями на поверхности крупных волн.

Величина ор, как это следует из изложенного выше, пропорциональна среднему значению коэффициента затенений п:

У(а)"

- a)w((p)í/(p; ф - угол на-

V(a)

где а = —; \|/(а) =

Уф а

клона крупных волн; уф - дисперсия углов наклона крупных волн; ^(ф) - плотность распределения углов наклона крупных волн, нормированных по уф; а - угол скольжения луча; < > - знак усреднения по реализациям.

В судовой радиолокации морская поверхность облучается под углами а ~ 1°. При этом для волнения моря 3 балла а = 10-2, что в случае нормального характера ^(ф) дает < п >= -17 дБ. Следовательно, при столь малых углах скольжения ор мало. Это объясняется тем, что при малых а велика затенённая часть поверхности крупных волн с рябью и в формировании отражённого сигнала главную роль играют гребни, "барашки", брызги и другие образования. Так как зависимость ЭПР моря от поляризации в основном определяется ор, то в описанных условиях зависимость суммарной ЭПР моря от поляризации должна практически отсутствовать.

На рис. 1 приведена проверенная экспериментально схема модернизации радиолокационной станции для селекции целей на фоне отражений от поверхности моря. В режиме приёма/передачи поляризации антенна вращалась со скоростью 0,5 об/с при помощи мотора М. Синхронно разворачивалась по углу развертка индикатора И, отклонение которой от центра электроннолучевой трубки соответствовало величине принимаемого сигнала. Стробирование по дальности участков морской поверхности и целей проводилось в каскаде совпадения С.

На рис. 2 показаны типичные фотографии фигур на экране индикатора И, полученные при

Рис. 1. Схема модернизации радиолокационной станции для селекции целей на фоне отражений от морской поверхности.

Рис. 2. Фотографии экрана индикатора, выполненные с трёхсекундной экспозицией (при этом частота вращения плоскости поляризации 0,5 об/с): (а) - при облучении участка водной поверхности 15 Х60 м под углом скольжения 1° и волнении моря 2 балла; (б) - при тех же условиях радиолокации, но в строби-рованном участке поверхности моря находится буксирное судно

трёхсекундной экспозиции во время облучения участка морской поверхности 15Х60 м и судна типа буксир. Угол скольжения луча а = 1°, волнение моря - 2 балла.

Таким образом, сравнивая фотографии экрана индикатора (рис. 2, а и б), круговая развёртка которого синхронизирована с вращением плоскости поляризации излучения радиолокационной станции, а отклонение луча от центра пропорционально величине принимаемого сигнала, нетрудно заметить, что возможность селекции целей по указанному методу подтверждается.

При достаточном накоплении сигналов, отражённых от цели, фигура на экране индикатора поляризационного развертывания (ИПР) представляет собой эллипс (рис. 2, б). Эллипсы, образующиеся при радиолокации различных целей, отличаются друг от друга по величине, форме и ориентации [14].

Если ракурс, под которым осуществляется радиолокация цели, не меняется, картина на экране ИПР характеризуется большой устойчивостью. Однако более характерен для судовой радиолокации тот случай, когда вследствие относительного движения ракурс, под которым видна цель, медленно меняется и эллипс на экране ИПР постепенно деформируется. Обычно это происходит в процессе слежения за целью (исключение составляет разворот цели на месте), сопровождающемся перемещением стробированного участка водной поверхности по дальности и курсовому углу. Резкое изменение фигуры на экране ИПР при непод-

вижном или медленно перемещающемся стробе свидетельствует об изменении числа объектов на выделенном участке морской поверхности. Априорной информации обычно бывает достаточно, чтобы определить, какими именно причинами вызвано это обстоятельство.

Индикатор поляризационного развёртывания в радиолокационной станции с селекцией целей в зоне отражений от морского волнения может быть заменён анализатором огибающей импульсов, отражённых от выделенного участка на поверхности моря.

Реализация подобной схемы (рис. 3) требует модернизации антенного устройства радиолокатора, а также использования приставки для селекции отражений по дальности и анализа низкочастотных процессов. Модернизация антенного устройства должна обеспечить возможность вращения плоскости поляризации излучения, что легко достигается с помощью различных устройств, описанных, например, в [10]. Простейшим из них является синхронный мотор М, в полый ротор которого вмонтирован прямоугольный волновод. Частота вращения ротора выбирается такой, чтобы время его полуоборота было не меньше интервала корреляции радиолокационных отражений, составляющего, как известно, несколько миллисекунд. Возникающая модуляция радиолокационных отражений от плавсредств имеет частоту десятки-сотни Гц, что обеспечивает обнаружение целей за доли секунды.

Рис. 3. Упрощённая схема соединения основных функциональных элементов анализатора огибающей импульсов, отражённых от выделенного участка на поверхности моря: I - приёмник; II - каскад совпадения; III - схема выделения огибающей; IV - анализатор; V - передатчик; VI - регулируемая линия задержки; VII - генератор стробирующих импульсов

Схема селекции участков морской поверхности по дальности состоит из регулируемой линии задержки, генератора стробирующих импульсов и каскада совпадения. С помощью регулируемой линии задержки осуществляется обследование зоны отражений от морского волнения в радиальном направлении; обзор по курсовому углу происходит за счёт вращения антенны. Синхронизирующие импульсы от передатчика задерживаются на время, обеспечивающее селекцию отражений с выбранной дистанции. После этого запускается генератор стробирующих импульсов, в момент поступления которых на каскад совпадения радиолокационные отражения из приёмника проходят в схему выделения огибающей, состоящей из пикового детектора и фильтра нижних частот. Напряжение низкой частоты поступает затем в анализатор, предназначенный для обнаружения модуляции радиолокационных отражений, возникающей за счёт зависимости эффективной площади рассеяния морских объектов от поляризации электромагнитного излучения. Частота модуляции не зависит от числа целей на выделенном участке водной поверхности и определяется исключительно частотой вращения ротора мотора М. Резкое изменение амплитуды или сдвиг по фазе модуляционной составляющей свидетельствуют об изменении количества объектов на стробированном участке моря. Причины и характер этого изменения (увеличение или уменьшение числа целей) определяются по данным навигационной обстановки. Отсутствие модуляции радиолокационных отражений, поступающих в анализатор, говорит об отсутствии целей на обследуемом участке моря.

При обнаружении следов движущихся судов в условиях маскирования ряби приводным гидро-

метеором для селекции отражений от ряби вблизи судна может быть использовано поляризационное развёртывание. Возможность селекции ряби на фоне приводного гидрометеора определяется тем, что интенсивность отражений от него не зависит от ориентации плоскости поляризации радиоизлучения, в то время как рассеяние на мелкоструктурных составляющих в спектре ветрового волнения характеризуется возникновением на экране индикатора поляризационного развёртывания вертикально ориентированного эллипса. Поэтому при радиолокации морской поверхности в непосредственной близости от судна исчезновение сигнала на частоте 20 в схеме селекции, представленной на рис. 3, свидетельствует об обнаружении аномалии, в которой отсутствуют составляющие в спектре ветрового волнения, резонансные по отношению к несущей частоте радиолокационной станции. К числу таких аномалий как раз и относятся кильватерные следы.

Достоинство поляризационного развёртывания заключается в простоте его технической реализации. К недостаткам следует отнести ухудшение разрешающей способности радиолокационной станции в зоне отражений от морского волнения вследствие стробирования, а также уменьшение скорости обзора пространства по азимуту в секторах селекции.

Поляризационное развёртывание позволяет увеличить вероятность обнаружения следов на морской поверхности при сильном морском волнении в условиях маскирующего действия приводного гидрометеора (пена, "барашки", брызги и тому подобное).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шишкин И.Ф. Трассология в акваториях // Судостроение. 1975. № 8. С. 45-48.

2. Ушаков И.Е., Шишкин И.Ф. Радиолокационное зондирование морской поверхности. М.: РИЦ "Та-тьянин день". 1997. 264 с.

3. Шишкин И.Ф., Сергушев А.Г. Трассология в акваториях // Навигация и управление движением: Сб. докл. IV конф. молодых ученых / Под общ. ред. акад. В.Г. Пешехонова. СПб.: ГНЦ РФ - ЦНИИ "Электроприбор". 2002. С. 268-273.

4. Шишкин И.Ф., Сергушев А.Г. Трассология в акваториях // Проблемы машиноведения и машиностроения: Межвуз. сб. Вып. 30. СПб.: СЗТУ 2003. С. 29-41.

5. Шишкин И.Ф., Сергушев А.Г. Трассология в навигации // Сб. науч. трудов по матер. Междунар. науч.-практ. конф. "Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2006". Т. 5. Одесса: Черноморье. 2006. С. 46-47.

6. Шишкин И.Ф., Сергушев А.Г. Трассология в навигации // Сб. науч. трудов по матер. Междунар. науч.-практ. конференции "Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2007". Т. 1. Одесса: Черноморье. 2007. С. 32-33.

7. Шишкин И.Ф., Сергушев А.Г. Трассология в акваториях. Технические средства для трассологиче-ских наблюдений и их эффективность // Гироскопия и

навигация: Матер. V конф. молодых ученых "Навигация и управление движением". 2003. № 4(43). С. 116.

8. Шишкин И.Ф., Сергушев А.Г. Радиолокационные методы для трассологических наблюдений // Навигация и управление движением: Матер. Докл. V конф. молодых ученых. Под общ. Ред. Акад. В.Г. Пешехонова / ГНЦ РФ - ЦНИИ "Электроприбор". СПб. 2004. С. 156-161.

9. Шишкин И.Ф., Сергушев А.Г. Контрастный прием сигналов при трассологических наблюдениях // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Информатика, телекоммуникации, управление. СПб.: Изд-во По-литехн. ун-та. 2009. № 1(72). С. 67-72.

10. Канарейкин Д.Б., Потехин В.А., Шишкин И.Ф. Морская поляриметрия. Л.: Судостроение. 1968. 328 с.

11. Фукс И.М. К теории рассеяния радиоволн на взволнованной поверхности моря / Изв. вузов СССР. Радиофизика. Т. 9. Вып. 5. 1966.

12. Ляпин К.К., Полянский В.А., Шишкин И.Ф. Селекция целей на фоне отражений от морской поверхности // Радиотехника. 1974. Т. 29. № 2. C. 76-77.

13. Шишкин И.Ф. Селекция целей в зоне отражений от морской поверхности // Судостроение. 1975. № 4. C. 45-46.

14. Copeland I.R. Radar target classification by polarization properties. "PIRE". 1960. Vol. 48. № 7.