CC BY
8Электродинамика и антенные системы
УДК 621.396.96
Принципы оценки погрешности зондирования протяженных объектов радиометрической системой с дополнительным каналом компенсации фоновых помех
Федосеева Е.В.
Приведены результаты оценки погрешности зондирования протяженных объектов радиометрической системой с дополнительных каналом формирования сигнала компенсации на основе двух-канальной двухмодовой антенны.
Ключевые слова: радиометрическая система, компенсация фоновых помех, двухканальная двухмо-довая зеркальная антенна.
Введение
Исследование протяженных объектов радиометрическими методами связанно с необходимостью решения вопроса выделения в составе входного сигнала системы части мощности, определяемой шумовым излучением зондируемого объекта, т.к. ограниченная пространственная селективность антенн приводит к наличию во входном сигнале составляющих, обусловленных приемом фонового излучения всего окружающего пространства через область рассеяния антенны. Сложность решения этого вопроса определяется существенным изменением взаимного расположения области рассеяния антенны по отношению к неоднородному окружающему фону при передвижении главного луча антенны по протяженному объекту, что ограничивает возможность применения для оценки его ра-диояркостного контраста метода диаграммной модуляции.
В [1] предложена радиометрическая система, в которой одновременно с входным измерительным сигналом в дополнительном антенном канале формируется сигнал компенсации, уровень которого адекватен поме-ховой составляющей входного сигнала, обусловленной приемом фонового излучения окружающего пространства. В [2] рассмотрен вариант реализации двухканальной антенны на основе двухмодового режима рабо-
ты круглого волновода: на волне Н10 осуществляется прием по основному каналу, а на волне Е01 - прием по дополнительному каналу. В [3] показано, что противофазность распределения поля по излучающей апертуре на волне Е01 обеспечивает низкий уровень приема мощности в угловой области, прилежащей к осевому направлению антенны, т.е. в области главного лепестка ДН основного антенного канала.
Цель работы - проанализировать погрешности оценки радиояркостной температуры протяженной цели радиометрической системой с каналом формирования сигнала компенсации.
Математическая модель процесса компенсации в двухканальной радиометрической системе
Преимущество метода компенсации помехо-вых компонент при использовании в системе дополнительного приемного канала со специальной формой диаграммы направленности, проводимой одновременно с процессом измерения, состоит в неизменности углового положения антенны в процессе проведения измерений, что упрощает и ускоряет процесс выделения информационной составляющей входного сигнала.
В процессе измерений в такой системе формируются два входных сигнала, уровень
которых можно оценить по величине антенной температуры:
- основного измерительного канала
Таосн = Тгл (1 -р)л+ Тбок Рп+ Т о(1 -п); (1)
- дополнительного канала формирования сигнала компенсации
Тадоп = [Тгл(1 — Рдоп )п + ТбокРдопП]К доп
+То(1-п), (2)
где Тл и Тбок - усредненная по области главного лепестка и области рассеяния ра-диояркостная температура; в и вдоп - коэффициент рассеяния основного и дополнительного антенного канала; п - кпд антенны; Т0 - термодинамическая температура антенны; Кдоп - относительный коэффициент передачи дополнительного антенного канала, в частности, при использовании двухмодовой антенны [4] численное значение Кдоп определяется условиями возникновения высшего типа волны Е01 - моды в антенне и энергетическими соотношениями основной и высшей моды.
Выходной сигнал системы пропорционален разности антенных температур сигналов основного и дополнительного канала
АТ = Тинф + ТпоМ, (3)
Тинф = -вИ-Рдоп Коп ), (4)
Тпом = Тбокп(в - РдопКдоп ) , (5)
где Тинф - информационная составляющая в
составе выходного разностного сигнала АТ; Тпом - помеховая составляющая в составе выходного разностного сигнала АТ .
Приведенные соотношения для антенной температуры системы показывают, что первоначально по входу системы погрешность оценки радиояркостной температуры объекта по разностному выходному сигналу определяется направленными свойствами и относительным коэффициентом передачи по мощности дополнительного антенного канала.
Характеристики направленности основного и дополнительного антенных каналов в и
вдопкдоп определяются по формулам
л
/3=\ ^ (Ш)Ш (6)
Шгл
п
вдопК доп IРдопШЕдоп(0)/Еосн(0))Ш (7)
Шгл
где Госн (Ш) и Гдоп (Ш) - диаграммы направленности по мощности основного и дополнительного каналов; Еосн (0) - уровень поля
излучения основного антенного канала для нормировки уровня поля дополнительного канала относительно основного.
Для численного анализа влияния направленных свойств дополнительного антенного канала на условия выделения информационной составляющей входного сигнала радиометрической системы выражения (4) и (5) можно записать в следующем виде:
Тинф = Тг„п(1 -Жнф , (8)
= 1 -(1 -Рдоп )доп /(1 -в), (9)
т _ т nßß
пом бок 1г доп э 3доп _ 1 - ßдопК доп / ß ,
(10) (11)
где £инф - коэффициент, характеризующий
относительное уменьшение уровня информационной составляющей в составе разностного сигнала по сравнению с сигналом основного измерительного канала; Здоп - относительная величина погрешности компенсации фонового излучения за счет неадекватности условий приема двух каналов по области рассеяния.
Анализ выражений (8) - (11) показывает, что введение дополнительного антенного канала со специальной формой ДН в реальных условиях приводит к уменьшению уровня информационной составляющей в 5инф
раз за счет ненулевого уровня приема дополнительным антенным каналом в области главного лепестка ДН основного канала. Отличие условий приема двух каналов по области рассеяния ДН основного антенного канала определяет наличие в составе выходного разностного сигнала системы помехо-вой составляющей, уровень которой зависит
от степени неадекватности приема фонового излучения по двум антенным каналам.
При зондировании протяженных объектов одной из решаемых задач является измерение линейного профиля радиояркостной температуры, точность проведения которого определяется соотношением в составе выходного сигнала информационной и помехо-вой составляющих, что является аналогом отношения сигнал-шум на входе радиометрической системы. Это отношение для системы с каналом компенсации имеет вид
Тинф _ Тгл (1 — 0) Зшф _ Тгл ^^ (12)
гр гр г> с гр а ком 'V /
пом ф г доп ф
где ка - коэффициент, определяющий преимущественный прием информационного сигнала за счет пространственной селективности основного антенного канала; кком -коэффициент, характеризующий изменение соотношения сигнал - шум на входе системы за счет компенсации влияния фонового излучения.
Минимально фиксируемое изменение радиояркостной температуры вдоль протяженного объекта определяется из выражения (12)
при условии Тинф = Тпом и равно
ДТ = ■
Tß S,
доп
1 -ß S,
(13)
инф
Выражения (12) - (13) позволяют комплексно оценить изменение характеристик радиометрической системы при введение дополнительного антенного канала со специальной ДН для формирования сигнала компенсации влияния фонового излучения.
Численное моделирование характеристик радиометрической системы с двухканальной двухмодовой антенной
Одним из вариантов реализации метода компенсации фоновых помех в радиометрической системе является организация дополнительного антенного канала путем формирования дополнительной ДН на общей апертуре зеркальной антенны при осуществлении
приема на высшей моде Еш круглого волновода, в то время как основной измерительный канал работает на моде Ни [5].
При оценке эффективности введения дополнительного канала формирования сигнала компенсации в случае исследования протяженных объектов необходимо проанализировать взаимосвязь характеристик обнаружения информационного сигнала от области зондирования по величине отношения сигнал-шум и степени компенсации фоновых помех, а также точность оценки линейного профиля радиояркостной температуры по протяженному объекту.
С учетом энергетических соотношений основной и высшей моды в питающем волноводе мощностные диаграммы направленности основного и дополнительного каналов зеркальной антенны радиусом раскрыва 76 см на частоте 9.375 ГГц имеют вид, представленный на рис. 1.
Рис.1.
Анализ диаграмм направленности двух каналов позволяет сделать вывод о достаточно адекватном среднем уровне приема по области рассеяния обоих каналов.
Оценка параметров в и вдоп Кдоп показала, что при сравнении относительных уровней принимаемой мощности по области рассеяния, ограниченной угловыми направлениями вгл0 = 3° и 180°, эти величины равны 0.04 и 0.037, что соответствует относительной величине погрешности компенсации
фонового излучения 5доп = 0.075 . Таким образом, погрешность компенсации помеховых компонент во входном сигнале радиометрической системы, обусловленной приемом фонового излучения из изотропной части области рассеяния, составляет 7.5%, что не превышает данную величину при проведении аналитической оценки величины фонового излучения, равную 10% [6]. Данный результат очень важен с практической точки зрения, т.к. при перемещении луча антенны по протяженному объекту и, соответственно, существенному перераспределению угловых направленных свойств антенны по отношению к неоднородному фону, будет происходить компенсация помеховых компонент входного сигнала, вызванная приемом фонового излучения через изотропную часть области рассеяния диаграммы направленности основного канала антенны.
Кроме компенсации помеховой составляющей, обусловленной приемом фонового излучения, данная система позволяет исследовать протяженные объекты на их неоднородность, т.е. возможно измерение линейного профиля радиояркостной температуры с угловым разрешением, равным угловому размеру главного лепестка разностной диаграммы направленности. Для анализа погрешности оценки радиояркостной температуры радиометрической системой с каналом формирования сигнала компенсации необходимо рассмотреть разностную диаграмму направленности антенной системы в целом в области главного лепестка. На рис. 2 представлены диаграмма направленности основного измерительного канала (1) и разностная диаграмма направленности (2) антенной системы в целом в области главного лепестка и ближнего бокового излучения.
Оценка относительного уровня мощности шумового сигнала, принимаемого системой по основному измерительному каналу и при выполнении процедуры компенсации фонового излучения с использованием сигнала
дополнительного антенного канала, показала, что суммарная относительная мощность на выходе антенны, обусловленная приемом по главному лепестку диаграммы направленности антенны основного канала, составляет 0.96, аналогичная величина для разностной диаграммы направленности системы равна 0.503. Таким образом, в разностном сигнале системы с компенсацией фонового излучения уровень информационной составляющей уменьшается практически в два раза и величина ее относительного уменьшения равна 5 инф = 0.541.
Рис.2.
Полученные значения 5инф и 5доп позволяют проанализировать изменение характеристик обнаружения, т. е. отношение сигнал-шум в системе с компенсацией по выражению (12). Для значений параметров исследуемой двухканальной двухмодовой антенны в = 0.04, 5инф = 0.5415 = 0.075 коэффициенты ка и кКом, определяющие влияние пространственной селективности и процедуры компенсации на величину отношения сигнал-шум на входе радиометра, равны соответственно 24 и 7.213, т.е. введение компенсации фонового излучения позволяет повысить величину отношения сигнал-шум на входе системы в семь раз.
Минимально фиксируемое изменение ра-диояркостной температуры вдоль протяженного объекта согласно выражению (13) зави-
сит от уровня фонового излучения Тф,
свойств пространственной селективности антенны и условий приема по дополнительному антенному каналу. Условия приема по дополнительному каналу в выражении (13) задаются соотношением Здоп / с>инф. Для рассматриваемой антенны Здоп / с>инф = 0.139, т.е.
введение компенсации фонового излучения в двухканальной системе позволяет на порядок повысить точность измерения линейного профиля протяженного объекта.
Заключение
Проведенный анализ погрешностей оценки радиояркостной температуры протяженной цели радиометрической системой с каналом формирования сигнала компенсации позволяет сделать вывод о возможности применения данной системы в условиях зондирования объектов с большими угловыми размерами, особенно при неоднородном фоновом излучении окружающего пространства. Преимуществом указанной системы является возможность формирования сигнала компенсации одновременно с приемом по основному измерительному каналу при неизменном положении антенны, при этом уровень приема фонового излучения дополнительным каналом соответствует условиям погрешности компенсации не более 10%.
Абсолютное уменьшение уровня сигнала, принимаемого по полному главному лепестку ДН основного антенного канала, компен-
сируется повышением относительного уровня информационной составляющей в составе входного сигнала радиометрической системы и, как следствие, приводит к повышению точности оценки линейного профиля радио-яркостной температуры исследуемого протяженного объекта.
Литература
1. Патент на полезную модель № 91630 оп. в бюл. №5 от 20.02.2010г. Радиометрическая система с компенсацией аддитивных внешних фоновых помех/ Федосеева Е.В.
2. Способ снижения уровня шума антенны и двухмодовая антенна Патент на изобретение №2300831 оп. В БИПМ №16 от 10.06.2007г. Федосеева Е.В., Ростокина Е.А., Ростокин И.Н.
3. Федосеева, Е.В. Характеристики излучения двухканальной двухмодовой антенны радиометрической системы с компенсацией фоновых помех / Е.В.Федосеева, И.Н. Ростокин // Вопросы радиоэлектроники. Серия радиолокационная техника (РЛТ). - 2011. - Вып.1 - С.44-51.
4. Федосеева, Е.В. Сравнительная оценка пространственной разрешающей способности радиометрической системы с дополнительным антенным каналом // Радиотехника. - 2008. - №9.-С. 50-52.
5. Федосеева, Е.В. Радиометрическая система с дополнительным каналом формирования сигнала компенсации / Е.В. Федосеева, И.Н. Ростокин// Труды ГГО. - 2010. - Вып. 562. - С. 243-257.
6. Степаненко, В.Д. Радиотеплолокация в метеорологии / В.Д. Степаненко, Г.Г. Щукин, Л.П. Бобылев, С.Ю. Матросов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1987. - 284 с.
Поступила 25 сентября 2011 г.
The Results of an estimation of an error of sounding of extended objects by radiometric system with additional the channel of formation of a signal of indemnification on the basis of two-channel two-mode aerials are resulted.
Key words: radiometric system, indemnification of background hindrances, two-channel two-mode the mirror aerial.
Федосеева Елена Валерьевна - кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры радиотехники Муромского института (филиала) ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых». E-mail: [email protected].
