Способ измерения радиометрических контрастов в задаче поиска и сопровождения малоразмерных целей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Бухаров А.Е., Васин А.А., Юрков Н.К.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ КОНТРАСТОВ В ЗАДАЧЕ ПОИСКА И СОПРОВОЖДЕНИЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ ЦЕЛЕЙ

Рассматривается способ измерения радиометрических контрастов, позволяющий с помощью моноимпульс-ной антенной системы повысить угловое разрешение и уменьшить флюктуационные ошибки радиометра при обзоре и сопровождении малоразмерных целей.

Как известно, различные объекты (цели) в силу отличия своих поглощающих и отражающих свойств, а также угловых размеров создают радиотепловое излучение различной мощности и могут быть классифицированы по ряду параметров, что позволяет выделять их на однородном и неоднородном фоне.

В таблице 1 обобщены приведенные в [1]-[5] результаты измерений и оценок радиояркостных температур искусственных и естественных поверхностей, полученные в мм-диапазоне волн (А = 0,4 - 0,8 см) и см-диапазоне (А = 1,8 - 3,0 см) при углах визирования 0 = 0° (надир), 40° и 90° (по линии горизонта) и для двух видов поляризации (Г - горизонтальная, В - вертикальная).

Таблица 1. Радиояркостная температура

Поверхность Поля- риза- ция ^=0,4...0,8 см Х=1,8...3,0 см

ф = о ф = 0 ф = о ф = о 0=40° ф = о

Лес смешанный Г 312 312 312 265 265 265

В 315 315 315 265 265 265

Травяной покров Г 290 288 280 290 290 260

В 295 293 280 295 295 285

Грунт, ровный, сухой Г 250 245 210

В 250 255 255

Пашня сухая Г 302 302 302

В 302 305 320

Пашня влажная Г 250 235 200

В 248 255 280

Водная поверхность Г 220 215 180 112 100 60

В 220 240 300 112 135 220

Бетонная поверхность Г 295 280 240 225 206 160

В 295 298 315 220 235 280

Асфальтовая поверхность Г 280 260 290 300 300 180

В 280 280 290 190 190 100

Металлическая поверхность Г, В 100 180 300 30.50

Примечание: Температура указана в Кельвинах

Приведенные здесь результаты позволяют оценить радиояркостные контрасты различных подстилающих поверхностей.

Как показано в [5] и [6], чувствительность большинства СВЧ радиометров не хуже 1°К. Для обеспечения вероятности правильного обнаружения объектов и поверхностей необходим радиотепловой контраст не менее 15..2 0°градусов. Учитывая также достаточно большую зависимость радиояркостных температур от условий облучения, исходных условий и т.д., целесообразно сравнивать поверхности и объекты, радиояр-костный контраст которых превышает АТя > 10...20 градусов.

В таблице 2 представлены приведенные в [5] значения радиотепловых контрастов наиболее интересных

поверхностей и объектов при приеме практически по линии горизонта 0=90° .

Таблица 2. Значения радиотепловых контрастов______________________________________________________

Поверхности Диапазон, А

мм см

Вода - лес 100.200 150.200

Вода - грунт 100.150

Вода - металлический объект ( в = 0° ) 80.200 30.100

Асфальт - бетонный объект ( в = 0° ) 40 40.150

Металлический объект ( в = 0° ) - бетонный объект ( в = 0° ) 190 150

Металлический объект (в = 0° ) - трава, лес, пашня 200 200.250

Металлический объект ( 0 = 0° ) - асфальт 190 100.120

При изменении угла визирования (до 0=40°) и наличии неоднородностей поверхности радиотепловой контраст уменьшается на 20 - 50%.

Бетонные объекты и сооружения имеют радиояркостный контраст АТя > 20 градусов на фоне поверхностей с хорошими отражающими свойствами (водная, асфальт и др.), что также указывает на возможность различения этих объектов и поверхностей.

Таким образом, исходя из вышеизложенных результатов, можно констатировать о существовании принципиальной возможности различения целей на фоне основных типов поверхностей, т.е. о существовании ра-диотеплового контраста превышающего 20...40°К.

В то же время не менее важным условием в решении задачи поиска и сопровождения целей имеет разрешающая способность радиометра по угловой координате.

Угловое разрешение радиометрических систем обычно определяется шириной диаграммы направленности антенны (ДНА) и ограничивается допустимыми габаритами антенны при размещении ее на борту летательного аппарата. Повышение углового разрешения радиометрических систем является актуальной задачей, как для гражданского, так и военного применения.

Наиболее широкое распространение для получения радиометрических изображений получил способ, основанный на радиометрическом приемнике Дикке [7], вход которого попеременно подключается к выходу антенны и к эталонной нагрузке с температурой Тэ. С помощью такого же радиометра можно осуществить слежение в одной плоскости за малоразмерной целью. Для этого можно использовать две антенны с ДНА, равноотклоненными от равносигнального направления, либо использовать моноимпульсную антенную систему амплитудного типа [7] и подключать вход приемника поочередно к ее выходам (парциальным каналам).

На рисунке 1 приведена структурная схема радиометра с моноимпульсной антенной системой (МАС).

Рисунок 1 - Радиометр с МАС: АС - антенная система; УА - управляемый аттенюатор; П - переключатель; СМ - смеситель; Г - гетеродин; УПЧ - усилитель промежуточной частоты; КД - квадратичный детектор; УНЧ - усилитель низкой частоты; СД - синхронный детектор; В - вычислитель

Его отличие от типичного модуляционного радиометра заключается в том, что вход приемника поочередно подключается к входам антенной системы без подключения к эталонной нагрузке. При этом в одном из парциальных каналов АС устанавливается УА изменяющий уровень потерь в канале. При неодинаковом уровне потерь коммутация каналов получается равновесной, в противном случае неравновесной.

Основной характеристикой радиометра является разрешающая способность по угловым координатам, т.е. пространственная избирательность обусловлена антенной системой [1]. Далее предполагается, что антенна сканирует в одной плоскости и рассматривается угловое разрешение в плоскости сканирования. Допу-

стим также,

что лучи МАС формируются в этой плоскости двумя парциальными ДНА Е_ I ф —

^ф + ^~" J , гДе ф - угловая координата, представить в виде:

ширина парциальной ДНА. При сканировании их можно

?АФ’г )=

Р+(Ф, г ) = В+{ф+^-Ы

(1)

где О - скорость сканирования. При этом предполагается, что форма ДНА не изменяется в процессе сканирования.

В модуляционном радиометре можно использовать либо одну из этих ДНА, либо их комбинацию, коммутируя вход радиометрического приемника между выходами МАС.

Временной сигнал, получаемый на выходе радиометра в процессе сканирования, можно представить

в виде:

У (І) = К | Т (ф)|(ф, І) -х1 - 02(ф, І) -х2| сН - Ц -х2)Гэ| +) ,

(2)

где К - коэффициент пропорциональности (крутизна радиометра); Т (ф) - искомое распределение ра-

диояркостной температуры по угловой координате; 0(ф,/) , 0^(ф,1) - мощностные ДНА 1-го и 2-го комму-

эталонная температура равная термо-

'-р ' ^1 1^1 ) в полосе Д.f1^1 ,

полоса УНЧ приемника. Мощностные ДНА определяются как квадраты диаграмм Р (а) и нормируются по условию:

тируемых каналов; Х1, Х2 - коэффициенты потерь в каналах; Т динамической температуре трактов; ) - шум с дисперсией

= 2(к - 3 - Д/\,

где 3^ - приведенная чувствительность радиометрического приемника, ДҐу^ц

(3)

При известных Т , , Х

задача определения

Т ф решается следующим образом. Исходный процесс Уи(^) , представляющий собой сигнал на выходе радиометра за вычетом постоянной составляющей, определяемой Т , и Х^ , записывается в виде:

Уи (І) = К к Т ф)0 (ф,І)бф+^(і)

(4)

где ф и ф - начальные и конечные углы сектора сканирования.

н к

После алгебризации (4) можно представить в виде уравнения:

У = О - Т + ^ , (5)

где У - наблюдаемый вектор; О - матрица аппаратной функции; Т радиометрической яркости; ^ - шумовой вектор.

Если алгебризация производится в естественном базисе, т.е. в виде эквидистантных отчетов функции,

то У , ^ будут векторами временных отчетов; О составят отсчеты К - 0 (ф,І) через Дф и Д(~. . При

искомый вектор распределения

этом целесообразно брать

фф = ДІ^ - О , должно также выполняться условия ДІф < 2Д^

УНЧ

Линейную оценку вектора Т с минимальной среднеквадратичной ошибкой можно получить в виде [8]

н

1

Т = РУ , (6)

где Р - матрица оценивания.

При выполнении вполне допустимых условий:

Ті ' Тк/ - йТ '5>,к; й.

(4і-4к) - о, Ч, к;

Т - ,к)- 0; ПРИ любых і, к,

(7)

Р- (оТ-О + и■ I1 1•ОТ,

знак усреднения; к -1

символ Кронекера; Р представляется в виде:

(8)

где и -

о

о

регуляризирующий множитель

; I

единичная матрица.

Т

Необходимо отметить, что при оценивании по (6) можно учесть изменение формы ДНА в процессе сканирования.

В общем случае ошибка оценивания определяется как

О - бівді \Т - Т II Т - Т

(9)

где Р - вектор дисперсий ошибок оценивания.

После соответствующих преобразований получаем следующее выражение:

О - йтс//ад(1 - РО)(! - РО[ + иРРТ

(10)

Однако, будет интересным рассмотреть с какой точностью радиометр оценивает различные спектральные составляющие Т . Такое рассмотрение дает непосредственное представление о разрешающей способности

радиометра. Подставляя в (10) дискретные спектры

Т, после соответствующих преобразований по-

лучаем для вектора дисперсии ошибок оценивания спектральных составляющих

Б

следующее выражение:

Б = Бтdiag {і[(і - ЯО )(і - ЯО )Т + иКЯ Т ] 3* {

где

*

(11)

матрица сопряженная матрице

причем

и = I.

На рисунке 2 представлены нормированные дисперсии ошибок оценивания спектральных составляющих при

гауссовской форме ДНА парциальных каналов с

и при

контрастов ограничивается количеством гармоник попадающих в диапазон «малой ошибки».

и - 0,1. Разрешение радиотепловых

Рисунок 2 - Нормированные дисперсии ошибок оценивания спектральных составляющих: 1 - для радио-

метра с коммутацией парциальной диаграммы и эталонной нагрузки; 2 - нормированные дисперсии ошибок

для радиометра с неравновесной коммутацией при

3

нормированные дисперсии ошибок для

радиометра с равновесной коммутацией парциальных каналов.

Видно, что радиометр с коммутацией парциальных каналов МАС обладает лучшей разрешающей способностью, чем радиометр с коммутацией одного парциального канала и эталонной нагрузки. При этом радиометр с равновесной коммутацией не способен определять абсолютные значения радиотепловых температур, т.к. велика ошибка оценивания низкочастотных составляющих. Однако такой радиометр идеально подходит для сопровождения малоразмерной цели, т.е. после обнаружения цели коммутация каналов с помощью АУ устанавливается равновесной и радиометр работает в режиме сопровождения малоразмерной цели без сканирования ДНА. При этом разность антенных температур парциальных каналов образует пеленгационную характеристику [9].

где

и

ЛИТЕРАТУРА

1. Мельник Ю.А., Зубкович С.Г., Степанов В Д. и др. Радиолокационные методы исследования Земли / Под ред. Ю.А.Мельника. М.: Сов. радио, 1980.

2. Николаев А.Г., Перцов С.В. Радиотеплолокация (пассивная радиолокация) / Под ред. А.А.Красовского. М.: Сов. радио, 1964.

3. Теоретические основы радиолокации: Учебное пособие для вузов / А.А. Коростелев, Н.Ф. Клюев, Ю.А. Мельник и др. / под ред. В.Е. Дулевича. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Сов. радио, 1978.

4. Голунов В.А., Загорин Г.К., Зражевский А.Ю. и др. Пассивная радиолокация на миллиметровых волнах. В кн.: Вопросы перспективной радиолокации. Коллективная монография / Под ред. А.В. Соколова.

М.: Радиотехника, 2003. - С.393-463.

5. Важенин В.Г., Воробьев Л.П., Васин А.А. О возможности обнаружения объектов и неоднородностей

по радиотепловому контрасту на фоне морской и земной поверхности. - Сборник трудов научно-

технической конференции «Радиовысотометрия-2004», Каменск-Уральский, 2004. - С.49-54.

6. Варин А.П. Асимптотический оптимальный радиометрический обнаружитель пространственнотемпературных неоднородностей на неоднородном излучающем фоне / Радиотехника, № 12, 2001. - С.27-31.

7. Справочник по радиолокации. / Под ред. М. Сколника. Пер. с англ., т.4. Радиолокационные станции и системы. Под. ред. М.М. Вейсбейна. М.: Сов. радио, 1978.

8. Сейдж Э., Мелс Дж. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении. - М.: Связь, 1976.

9. Патент США № 3466654. Dual Channel radiometer.