CC BY
239
2010
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника
№ 152
УДК 621.396.96
ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СЕЛЕКЦИИ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РЛС ОЛП
А.Д. ЯМАНОВ
Статья представлена доктором физико-математических наук, профессором Козловым А.И.
Даны рекомендации по применению методов поляризационной селекции для улучшения эксплуатационных характеристик РЛС ОЛП на основе анализа экспериментальных данных по отражающим свойствам наземных радиолокационных объектов, а также подстилающих поверхностей и метеообразований в миллиметровом диапазоне волн.
Ключевые слова: обзоры летного поля, поляризационная селекция, эксплуатационные характеристики.
Уровень технического совершенства радиотехнических систем (РТС) управления воздушным движением (УВД) и управления наземным движением (УНД), их эффективность, а значит и высокая результативность использования воздушного транспорта во многом определяется возможностями и эксплуатационными характеристиками РТС, использующихся для информационного обеспечения систем управления наземным и воздушным движением [1].
В настоящее время в радиотехнической системе УНД основным средством обеспечения безопасности движения наземных транспортных средств в зоне аэродрома в условиях плохой видимости является радиолокатор обзора летного поля (ОЛП) [2, 3]. Однако задача обнаружения радиолокационной цели, особенно движущейся, на поверхности земли - крайне сложная: во многом из-за влияния подстилающей поверхности на сигнал на входе приемного устройства радиолокационной станции (РЛС) [2, 4]. В случае плохой видимости, вызванной наличием метеообразований в виде тумана, дождя, снега, эффективность работы РЛС резко падает, уменьшается дальность действия, на экране появляется большое количество посторонних засветок от метеообразований. Причиной такого явления является поглощение энергии гидрометеорными частицами и рассеяние на капельках жидкости, кусочках льда, снежинках [5].
Переотражения от подстилающей поверхности и метеообразований являются одной из важнейших причин ограничения интенсивности движения транспортных средств в районе аэродрома, а следовательно, и интенсивности полетов воздушных судов. В этой связи представляет интерес поиск новых методов улучшения эксплуатационных характеристик РЛС ОЛП и повышения различимости полезного сигнала на фоне мешающих отражений в сложных метеоусловиях.
В современных РЛС ОЛП используются различные технические средства, снижающие вредные воздействия мешающих отражений. К ним относятся: селекторы сигналов по длительности, блоки временной регулировки усиления, системы индикации воздушных целей (ИВЦ) и селекции движущихся целей (СДЦ), устройства управляемой поляризации и другие.
Анализ работ отечественных и зарубежных ученых показывает, что характеристики обнаружения РЛС могут быть улучшены за счет применения методов поляризационной селекции (ПС). Эффективность применения устройств поляризационной селекции наземных целей определяется в основном различиями в поляризационных характеристиках (ПХ) целей, местных предметов (МП), подстилающей поверхности (1111) и метеообразований.
1. Подавление мешающих отражений от подстилающей поверхности путем оптимального выбора поляризационного базиса
Координаты собственного поляризационного базиса подстилающих покровов очень слабо зависят от наблюдаемого элемента поверхности. Об этом свидетельствует очень малое значение СКО для угла 2ф и небольшое значение СКО для угла 2 у. Устойчивость параметров 2 у и 2ф к различным азимутальным углам свидетельствует о том, что исследуемые поверхности могут быть отнесены к классу диагональных объектов, а это значит, что существуют такие поляризационные базисы, в которых случайная матрица рассеяния может приводиться к диагональному виду или к виду, где один из диагональных элементов равен нулю, что эффективно можно использовать для подавления мешающих отражений.
2. Обнаружение и различение целей на фоне подстилающих покровов
Анализ данных показывает, что существующие различия некоторых поляризационных параметров отраженных сигналов от местности (участков суши, покрытых растительностью, взволнованного моря, гидрометеоров) и радиолокационных целей можно эффективно использовать для обнаружения целей на фоне подстилающих покровов. К таким параметрам относятся: распределение разности фаз на ортогональных поляризациях Афшуг и разности фаз линейной и кроссовой компоненты сигнала Афууну, угол 2ф и в какой-то мере степень поляризационной анизотропии q.
Обнаружение целей по разности фаз Афяякк и Аф^як
Как показывает анализ экспериментальных исследований фазовых характеристик сигналов, отраженных от подстилающих покровов в миллиметровом и сантиметровом диапазоне волн, распределение разности фаз Афшуг для подстилающей поверхности является Гауссовским и имеет колоколобразную форму с нулевым средним значением. С другой стороны, разность фаз линейной и кроссовой компоненты сигнала Аф^як, отраженного от неровной поляризационно-изотропной поверхности, имеет равномерное распределение на интервале +180° и не зависит от характеристик поверхности и условий измерения. Из экспериментальных данных видно, что для радиолокационных целей средние значения разности фаз ортогонально поляризованных компонент рассеянного сигнала Афшуг далеки от нулевых, а значения разности фаз
Афутву не распределены равномерно, а имеют некоторое ненулевое среднее значение и небольшое среднеквадратическое отклонение (10...200). Отличия параметров Афшуу Аф^як для подстилающей поверхности и радиолокационных целей позволяют производить идентификацию целей на фоне подстилающих покровов по данным признакам.
Обнаружение целей по углу 2ф
Расчеты показывают, что значение 2ф с высокой степенью точности может быть принято равным нулю. Это означает, что в рамках такого допущения собственной поляризацией для различных элементов подстилающей поверхности будет являться линейная поляризация, хотя для каждого элемента - своя. Это значит, что если собственной поляризацией какого-либо элемента разрешения окажется эллиптическая поляризация, то это будет свидетельствовать о наличии в этом элементе какой-либо цели, под которой вовсе не следует понимать обязательно некий новый объект, это может быть та же поверхность, но с резко выраженными иными отра-
жательными характеристиками.
Устойчивость координат собственного поляризационного базиса различных элементов исследуемых покровов позволяет путем использования режима поляризационного сканирования свести задачу обнаружения цели к задаче определения индекса амплитудной модуляции т отраженного сигнала. Например, при т £ 0,85 с вероятностью не ниже 0,95, можно говорить о наличии цели в исследуемом элементе разрешения. Вероятность ложной тревоги при этом составляет величину 0,01.
Различение целей по степени анизотропии
Подстилающая поверхность при зондировании в миллиметровом и сантиметровом диапазоне волн является, в отличие от радиолокационных целей, в общем случае поляризационноизотропной средой.
Использование алгоритмов функционирования одноканальных РЛС на излучение и приём, позволяющих формировать степень поляризационной анизотропии q, даёт возможность легко
модернизировать существующий класс одноканальных бортовых РЛС и РЛС управления воздушным движением с целью повышения их эффективности для решения задач обнаружения и распознавания объектов. Например, модернизация СВЧ-тракта путём включения в него совмещённого преобразователя поляризации (СПП) сигнала, позволяет формировать одноканальные РЛС с модуляцией или манипуляцией сигнала на излучение и приём.
3. Комплексные поляризационные признаки селекции наземных объектов
В работе [5] были проведены экспериментальные исследования поляризационной матрицы рассеяния малоразмерных наземных объектов и местных предметов с помощью поляриметрической установки на базе двух РЛС обнаружения наземных целей «Кредо» (миллиметровый диапазон длин волн). В качестве объектов наблюдения рассматривались: одиночный неподвижный человек, группа людей, уголковый отражатель, цилиндр, вышка ЛЭП, автомобиль. В качестве мешающих отражений использованы: подстилающая поверхность с кустарником, деревьями, высокой травой.
Возможное пространство поляризационных признаков селекции наземных объектов разбито на две группы: энергетические и комплексные поляризационные признаки.
К энергетическим поляризационным признакам относятся: полная ЭПР объекта
Q1 = (|£гг|)2 + (|£ВВ|)2 -2(|£ГВ|)2, где Бгг, БВВ, БГВ - комплексные коэффициенты поляризационной матрицы рассеяния; детерминант матрицы рассеяния а = |£ГГ|.|£ВВ|— (|£ГВ|)2 . Ком-
2
плексными поляризационными признаками являются Q^ = VI и =
0 ''ж У = г ^ \4
,=(мНлт8к1
8С08|У 180 ] 4с°* (У 1р0
Где 1=, 12=а-У а2 - , у=( (
п 2 2 2 *
а1ап V V
ЛЛ
180
11
характеристический угол
ж
между собственными поляризациями.
Из анализа результатов установлено, что комплексные признаки являются более информативными по сравнению с энергетическими признаками, связанными с ЭПР целей. Вероятность обнаружения наземных объектов может быть существенно увеличена при накоплении поляризационной информации.
Энергетические поляризационные признаки наиболее устойчивы к изменению ракурса цели, но сильно зависят от состояния подстилающей поверхности (наличия или отсутствия ветра) и величины разрешаемой площадки. В то же время комплексные признаки устойчивы к влиянию подстилающей поверхности и позволяют выделить объект в условиях мешающих отражений от подстилающей поверхности. Установлено, что наиболее информативным и устойчивым признаком является а0. Выделение данного признака позволяет значительно повысить контраст
малоразмерных объектов на фоне подстилающей поверхности. Это связано с тем, что сигнал формируется при отражении т групп его блестящих точек, а сигнал от подстилающей поверхности формируется большим количеством деполяризующих отражателей при отсутствии доминирующих центров отражения, что обуславливает гораздо большие пределы изменения разности фаз между согласованными поляризациями.
Для селекции объектов на фоне подстилающей поверхности знание его ракурса несущественно, так как цели обладают поляризационной асимметрией [1], а подстилающая поверхность близка к поляризационно-изотропной.
4. Обнаружение целей с помощью взаимно корреляционной обработки ортогонально поляризованных компонент сигналов
Экспериментальные исследования позволили установить, что сигнал, отраженный от местности, в частности от морской поверхности, участков суши, покрытых растительностью, в значительной степени деполяризован, и отраженные сигналы ортогональных поляризаций слабо коррелированны. Поэтому значение взаимно корреляционной функции принятых на ортогональных поляризациях сигналов невелико. Максимальные значения коэффициентов взаимной корреляции не превышают 0,2. При наличии движущийся цели в пространственном элементе разрешения принятые сигналы ортогональной и согласованной поляризаций формируются отражениями как от местности, так и от движущийся цели. Цель также в значительной степени деполяризует излучаемый сигнал, поэтому интенсивности рассеянных сигналов на ортогональной и согласованной поляризациях соизмеримы. Однако, как показали экспериментальные исследования, в отличие от отражений от местности, амплитуды и фазы отраженных от целей на ортогональных поляризациях сигналов сильно коррелированны, что может использоваться при построении систем селекции объектов на фоне местности.
Поляризационно-спектральные особенности обратного рассеяния от местности (участков суши, покрытых растительностью, взволнованного моря, гидрометеоров) и целей, состоящие в существенно более сильной корреляции отражений от целей, чем от местности, на ортогональных поляризациях могут использоваться для улучшения радиолокационной наблюдаемости малоразмерных объектов на их фоне. Физической предпосылкой их появления является существенно большая жесткость взаимного положения рассеивающих точек цели, чем помех. Для движущегося объекта, который является достаточно жесткой конструкцией, перемещения фазовых центров рассеяния на ортогональных поляризациях для «блестящих точек» также сильно коррелированны. Применение поляризационно-спектрального метода селекции позволяет повысить от 3-5 дБ до 15-30 дБ контраст наблюдения малоразмерных объектов на фоне отражений от моря при волнениях от 2 до 6 баллов. При увеличении волнения получаемый выигрыш возрастает, то есть предлагаемый метод селекции позволяет получить дополнительные выигрыши в наиболее сложных ситуациях - сильной засветки, создаваемой обратным рассеянием от моря. Использование предложенного метода селекции позволяет улучшить наблюдаемость наземных объектов на фоне местности, покрытой растительностью на 4-10 дБ.
5. Подавление мешающих отражений от метеообразований методами поляризационной селекции
Экспериментальные данные [5] дают следующие значения для затухания радиоволн миллиметрового диапазона: в тумане не более 0,9 дБ/км, при слабом дожде порядка 2,8...3,0 дБ/км, в сильном дожде до 10 дБ/км, при снегопаде - 2.4 дБ/км. При наблюдении цели в сложных метеоусловиях ее полная ЭПР уменьшается в тумане на 15.20%, в слабом дожде на 30.38 %, в сильном дожде - 35.42 %, в снегопаде - до двух раз.
Круговая поляризация оказывается эффективным средством для подавления мешающих отражений от гидрометеоров только в условиях тумана и слабого дождя (не более 8.10 мм/ч). При сильном дожде и снегопаде ее использование оказывается нецелесообразным, так, например, для обеспечения вероятности правильного обнаружения цели в этих условиях на уровне 0,9, ЭПР цели должна быть увеличена не менее чем в 2 раза. При уровне вероятности 0,95 соответствующая величина ЭПР возрастает в 3,5 раза.
Прием на кроссовую поляризацию может оказаться более эффективным, чем прием на КП в условиях сильного дождя, однако, ЭПР на кроссовой поляризации для реальных целей оказывается, как правило, на порядок ниже, поэтому кроссовый прием целесообразен при наблюдении целей, располагаемых достаточно близко от РЛС (район аэропорта). Характеристики обнаружения при кроссовом приеме слабо зависят от метеоосадков.
С точки зрения подавления сигналов от метеообразований использование режимов ГП-ГП и ВП-ВП практически эквивалентно. При одном и том же отношении сигнал/фон вероятность правильного обнаружения цели резко падает по мере увеличения водности, что объясняет наличие известного из опыта эксплуатации факта о наличии порогового уровня интенсивности дождя, при котором работа в названных режимах невозможна [5].
ЛИТЕРАТУРА
1. Илюха С. А. Методы и устройства адаптивной поляризационной селекции малоразмерных наземных объектов. Дисс. ... д-ра техн. наук. - Тула: Тул. высшее артиллерийское инженерное училище им. Тульского пролетариата, 1996.
2. Унгурян С.Г., Маркович Е.Д., Волевич А.И., Анализ и моделирование систем управления воздушного движения. - М.: Транспорт, 1980.
3. Емельянов В.Е., Перевезенцева Л. Т., Харченко В.П. О взаимосвязи основных параметров РЛС с основными параметрами УВД / Авиационные автоматизированные комплексы управления и моделирования. Вып. 3. -Киев: КИИГА, 1979. - С. 18-21.
4. Криницин В.В., Толстиков Н.И. Адаптивные системы обработки сигналов в радиосистемах обеспечения полетов // Межвуз. темат. сборник. Техническая эксплуатация радиоэлектронного оборудования и радиообеспечения полетов. - М.: МИИГ А., 1987. С. 55-63.
5. Андреев Г.Н. Подавление мешающих отражений при работе РЛС миллиметрового диапазона в сложных метеоусловиях путем поляризационной обработки радиолокационных сигналов. Дисс. ... канд. техн. наук. - М.: МИИГА, 1984.
USING OF POLARIZATION SELECTION FOR THE IMPROVEMENT OF AIRFIELD RADAR EXPLOITATION CHARACTERISTICS
Yamanov A.D.
Recommendations for polarization selection methods of the improvement of airfield radar exploitation characteristics are given. Recommendations are based on radar surface objects, canopy background and aquifer formations backscattering properties data analysis for millimeter waves.
Сведения об авторе
Яманов Антон Дмитриевич, 1984 г.р., окончил МГТУ ГА (2007), аспирант МГТУ ГА, автор 5 научных работ, область научных интересов - радиолокация.
