CC BY
89
11. Безуглов Д.А., Сахаров И.А. Пространственно временной алгоритм восстановления фазового фронта для датчика радиального типа. Свидетельство об официальной регистрации в Роспатенте программы для ЭВМ №2011613984 от 23.05.2011.
12. Безуглов Д.А., Сахаров И.А. Пространственно временной алгоритм восстановления фазового фронта для датчика тангенциального типа. Свидетельство об официальной регистрации в Роспатенте программы для ЭВМ №2011613985 от 23.05.2011.
13. Безуглов Д.А., Сахаров И.А. Пространственно временной алгоритм восстановления фазового фронта для датчика гибридного типа. Свидетельство об официальной регистрации в Роспатенте программы для ЭВМ №2011613986 от 23.05.2011.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор А.А. Костоглотов.
Безуглов Дмитрий Анатольевич - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Донской государственный технический университет”; e-mail: bezuglovda@mail.ru; 344000, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1; тел.: 89185548454; кафедра информационных технологии в сервисе; д.т.н.; профессор; зав. кафедрой.
Сахаров Иван Александрович - e-mail: sakharov.i.a@yandex.ru; тел.: 89034735847; кафедра информационных технологии в сервисе; старший преподаватель.
Bezuglov Dmitry Anatolievich - Federal State Educational Institution of Higher Professional Education of the Don State Technical University; e-mail: bezuglovda@mail.ru; 1, Gagarina pl., Rostov-on-Don, 344000, Russia; phone: +79185548454; the department of information technologies in the service of; head of department; dr. of eng. sc.; professor.
Sakharov Ivan Aleksandrovich - e-mail: sakharov.i.a@yandex.ru; phone: +79034735847; the department of information technologies in the service of; senior teacher.
УДК 621.311.6
В.Т. Лобач, С.А. Гросуль
УДЕЛЬНАЯ ЭФФЕКТИВНАЯ ПЛОЩАДЬ РАССЕЯНИЯ ВОДНОЙ
ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ДВУХПОЗИЦИОННОЙ РАДИОЛОКАЦИИ
Перспективным направлением неконтактного исследования параметров водной поверхности является полуактивная двухпозиционная радиолокация. В ее основе лежит прием отраженного от водной поверхности сигнала, источник которого находится в значительном пространственном удалении от точки приема. Одним из факторов, определяющих характер воздействия водной поверхности на отраженный радиосигнал, является удельная эффективная площадь рассеяния (УЭПР) и ее зависимость от геометрии задачи, высоты морских волн (скорости ветра над водной поверхностью) и длины волны радиосигнала. Знание функциональной зависимости УЭПР от названных параметров позволяет решать обратную задачу - измерения параметров морского волнения. Настоящая статья посвящена решению такой задачи.
Эффективная площадь рассеяния; водная поверхность; двухпозиционная радиолокация; параметры морского волнения.
V.T. Lobach, S.A. Grosul
SPECIFIC EFFECTIVE AREA OF DIFFUSING OF THE WATER TABLE AT ON-OFF RADIOLOCATION
Perspectiv direction of not contact research ofparameters of a water table is the semi-active on-off radiolocation. In its basis reception of the reflected from a water table of a signal which source is in significant space distance from a point of reception lays. One of the factors determin-
ing character of affecting of a water table on a radio echo, the specific effective area of diffusing (SEAD) and its dependence on geometry of a problem, altitudes of sea waves (rate of a wind overwater) and wave lengths of a radiosignal is. The knowledge of functional dependence SEAD from the named parameters, allows to solve an inverse problem - measurements of parameters of sea excitement. Present paper is devoted to the solution of such problem.
Effective area of diffusing; a water table; on-off radiolocation; parameters of sea excitement.
Перспективным направлением дистанционного исследования параметров водной поверхности является полуактивная (двухпозиционная) радиолокация. В ее основе лежит прием отраженного от водной поверхности сигнала, источник которого находится в значительном пространственном удалении от точки приема [1, 2]. Источниками сигнала могут быть, например, передающие устройства спутников глобальной системы позиционирования ГЛОНАСС.
Одним из факторов, определяющих характер воздействия водной поверхности на отраженный радиосигнал, является удельная эффективная площадь рассеяния (УЭПР) и ее зависимость от геометрии задачи, высоты морских волн (скорости ветра) и длины волны радиосигнала. Для решения обратной задачи - измерения параметров отражающей водной поверхности - важно знать функциональную зависимость УЭПР от перечисленных выше параметров и от времени прохождения отраженного сигнала от передатчика к приемнику [5]. В известных источниках отсутствует решение данной задачи для случая двухпозиционной локации, учитывающее влияние координат излучателя и приемника, направление визирования и параметров морского волнения. Настоящая статья посвящена решению такой задачи.
Геометрия задачи представлена на рис. 1. В точке A(x0,0,H0) расположена приемная антенна, в точке B(x2,0,Hc) - передающая (излучающей) антенна. Точки A и B принадлежат плоскости XOZ.
Рис. 1. Общая геометрия задачи
Определим интенсивность комплексной амплитуды напряжения на выходе приемной антенны по формуле
1_ = й° (Н)0"‘ (/?) - й° (Н)0"‘ (/?). (1)
В соответствии с [3] выражение для интенсивности комплексной амплитуды для основных горизонтальной 1ГГ и вертикальной / поляризаций будет иметь вид
Як
л2
\\G(aa,(3a)dxdy\\G(a'a,f3'a) 1 1 х
S S R10R10 -^20-^20
(2)
с exp (~ik(L -L')) exp (l - ph ( Ax, Ay)) FompF'ompdx'dy',
где О(аа,Ра) - диаграмма направленности приемной антенны; аа - угол между проекцией вектора Я на плоскость XOY и осью Ох; /За - угол между осью диа-
„ Л 1р о а я
граммы направленности приемной антенны и осью Oz; 2 - ——0 эф пр ;
0 V 2л
к — 2л; X - длина волны; Ротр - коэффициент отражения Френеля водной по-
X
верхности; Р - мощность, поступающая в антенну; О0 - коэффициент усиления антенны; Аэ^ - эффективная площадь антенны; ^ - активное сопротивление
приемной антенны; р (Ах, Ау) - нормированная пространственная корреляционная функция отражающей (морской) поверхности; S - окрестность точки зеркального отражения; Ах - х — X, Ау — у — у'; Ь =
Поскольку длина отражаемой радиоволны значительно меньше величин неровностей морской поверхности, воспользуемся приближенным значением
Р (Ах, Ау), полученным в результате разложения в ряд по степеням Ах и Ау [3]:
Ph Ay) ~l -
Ax -
f l 2л ^
“T" —T~
l Л
V lhy Л hy J
Ay2, (3)
где /^ и 1к - радиусы корреляции поверхности вдоль осей Ох и Оу соответственно, Лйх и - длины морских волн в направлении координатных осей Ох и Оу. Подставив в (2) выражение (3) и преобразовав, получим:
, = Qo і
' ГГ
\^FompF:mp\\G{aa,Pa)dxdy\\G{a'a,p'ay
О 2 d D' D Df отр отр JJ V а’/ а/ ^ JJ \ a? i а }
Л R10R10 R0R20 S S (4)
x exp (-ik (2AxxAx - A Ax2 + 2AyyAy - Ay Ay2) - (BxAx2 + By Ay2)) dx'dy', где Ax = °°S +-1-; A = —^-+—^-; Bx =1 k2/2^ (cos f30 + cos^0)2;
x 2R10 2 R20 y 2R10 2R20 2 V 7
1 2
B^ =— k2rl (cos P0+ c°s^0) ; <Jh - среднеквадратичное отклонение ординат
водной поверхности; ї = 2стй
(
12 Л2
V lhx Л hx J
и її = 2°1
l 2л2
I2 Л2
V lhy ЛЬу J
- величины
среднеквадратичного угла наклона морских волн в направлении координатных осей Ох и Оу соответственно.
Согласно экспериментальным данным, дисперсии углов наклона морской поверхности вдоль направления ветра и в направлении, перпендикулярном к нему, связаны со скоростью Ув приповерхностного ветра (м/с) на высоте 13 м над уровнем моря соотношениями [8]:
у1 — 3,16 • 10—3 V, г1 — 0,003 +1,92Л0~3Ув. (5)
Заменив х — & — х, где Б - расстояния между приемником и передатчиком
по оси абсцисс, определим расстояние от приемника до точки отражения и от передатчика до точки отражения на водной поверхности:
Ri =\J( xo + xj + y 2 + H o = 4H^
2 + x2
l+
x2 + y2 + 2x0x
H o2 + xo2
1 + _x^+ y2 (D - xo)x
2R0 2R22o
R2
2 2
iR0 + ——+ —-------------xsinP . (б)
20 О E> 1D 0
2R20 2R20
Суммарное расстояние Ь, которое проходит отраженный сигнал от передатчика к приемнику, получим, используя выражения (6) и (7):
L — R + да R10 + + x
cOs2 Po v 2Rio
l
Л
(
y2
l
l
Л
(7)
•0 j
2^ ^ ^ 2В10 2^,
Так как за пределами области интегрирования 8 значение выражения (4) практически равно нулю, то пределы интегрирования можно распространить до бесконечности и, воспользовавшись решением [3], получим:
x exp
а2
і
\rKmpKmpG{aa,Pa)2
l
2YhxYhy (cOs po + cos^o j
cos2 P
v 2Rio
2R
y2
■20 j
v 2Rl0 2R20 j
rlx (cosp0 + cOs¥o j rly (cosp0 + cOs¥o j
(8)
Для определения коэффициента отражения Френеля Fomp воспользуемся со
отношениями, приведенными в работе [4] для горизонтальной и вертикальной по ляризации:
cos Р0 -
'І COS Р0
cos
(9)
где Є - комплексная электрическая проницаемость среды отражения.
В соответствии с приведенным в [5,6] выражением, УЭПР можно определить
как
сто=. 8/ 7t2R2I0R220
Rnp Ра G0 Аэф Sэф
Подставив в (10) выражения (8) и (9), получим
(10)
,( x, y j* 7ГГ ( x, y j =
i cos P
cOs
Po~^
x exp
-y
cos P
v 2Rlo
2R
cOs
y
^YhcYhy (C0S A) +C0S Wo)
•0 j
V 2Rio
2R
20 j
rhx (cos p0 + cos ^0 j rly (cos p0 + cos ^0 j
(11)
На рис. 2 представлена зависимость УЭПР от координат на водной поверхности при различных скоростях приповерхностного ветра и постоянном угле падения Щ0, равном 10°. Точка с координатами (0,0) соответствует точке зеркального
x
2
1
x
отражения по законам геометрической оптики. Как видно из графиков, с ростом скорости ветра при прочих постоянных параметрах задачи, размер зоны отражения возрастает, а максимум величины УЭПР падает.
Ч,=7 м/с Ч,=15 м/с
Рис. 2. Зависимость нормированной по уровню максимума отражения УЭПР от координат точки отражения, при Уе=7м/с
Следует также отметить неодинаковое увеличение продольных и поперечных размеров зоны отражения. Так, при слабом ветре ее форма близка к окружности, при увеличении ветра она становится эллиптической, вытягиваясь по оси OX.
Аналогичная зависимость наблюдается при изменении угла падения ц/0 (рис. 3).
Угол падения ^ = 30° Угол падения ^ = 60°
Рис. 3. Зависимость УЭПР от координат точки отражения в окрестностях точки зеркального отражения при различных углах падения \у0
Помимо увеличения поперечных размеров, с увеличением угла падения возрастает несимметричность зоны отражения вдоль оси OX относительно точки нормального падения, проявляющаяся в увеличении поперечных размеров дальнего (относительно приемной антенны) участка зоны отражения. Подобная зависимость подтверждается экспериментальными данными, полученными в результате изучения солнечных бликов на водной поверхности [7].
В результате проделанной работы по решению задачи определения эффективной площади рассеяния водной поверхности как функции от скорости приповерхностного ветра и геометрии расположения приемника и передатчика радио-
сигналов было получено выражение УЭПР водной поверхности при двухпозиционной радиолокации как функции углов обзора приемной антенны на водную поверхность и скорости приповерхностного ветра.
Полученный результат укладывается в рамки существующих выражений для УЭПР, и может быть использован для построения двухпозиционных систем дистанционного зондирования параметров водной поверхности на базе сигналов спутниковых навигационных систем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лобач В.Т. Современное состояние и перспективы развития исследований в области инновационных технологий гидроавиационных систем радионавигации и управления // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2008. - № 12 (89). - C. 94-102.
2. Лобач В.Т. Радиолокационное измерение углового спектра и степени анизотропности морского волнения // Известия ТРТУ. - 2006. - № 5 (60). - C. 109-114.
3. Гарнакерьян А.А., СосуновА.С. Радиолокация морской поверхности. - Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского университета, 1978. - 144 с.
4. Гарнакерьян А.А., Захаревич В.Г., Лобач В.Т., Панатов Г.С., Явкин А.В. Радиоокеано-графическое навигационное и информационное обеспечение гидроавиации. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1997. - 285 с.
5. Лобач В.Т. Статистические характеристики радиолокационных сигналов, отраженных от морской поверхности. - М.: Изд-во “Радио и связь”, 2006. - 250 с.
6. Зубкович С.Г. Статистические характеристики радиосигналов, отраженных от земной поверхности. - М.: Изд-во “Советское радио”, 1968. - 224 с.
7. Cox C., Munk W. Slopes of the sea surface deduced from photograph of the sun glitter. - Bull. Sckipps lust. Oceonagr., Galif. Univ. - 1956. - Т. 6, № 9.
Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н., профессор Ю.С. Расщепляев.
Лобач Владимир Тихонович - Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет»; e-mail: rts@tti.sfedu.ru; 347922, г. Таганрог, пер. 1-й Крепостной, 34, кв. 245; тел.: 88634371637, 8634360865; кафедра радиотехнических и телекоммуникационных систем; зав. кафедрой.
Гросуль Сергей Александрович - ООО «НКБ “Импульс”»; e-mail: rts@tti.sfedu.ru; 347913, г. Таганрог, ул. Панфилова, 109/1, кв. 74; тел.: 89043470167, 88634310535; инженер-программист.
Lobach Vladimir Tixonovich - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”; e-mail: rts@tti.sfedu.ru; 34, 1-st Krepostnoy, fl. 245, Taganrog, 347922, Russia; phone: +78634371637, +7634360865; the department of radio engineering and telecommunication systems; head the department.
Grosul Sergey Aleksandrovich - Open Company «NKB the Pulse »; e-mail: rts@tti.sfedu.ru; 109/1, Panfilov street, fl. 74, Taganrog, 347913, Russia; phones: +79043470167, +78634310535; engineer-programmer.
