Влияние параметров морского волнения на отраженный радиосигнал при двухпозиционной радиолокации Текст научной статьи по специальности «Физика»

Раздел I. Радиотехника, измерения, гидролокация

УДК 621.311.6

С .А. Г росуль

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОРСКОГО ВОЛНЕНИЯ НА ОТРАЖЕННЫЙ

РАДИОСИГНАЛ ПРИ ДВУХПОЗИЦИОННОЙ РАДИОЛОКАЦИИ

Решены задачи определения интенсивности комплексной амплитуды сигнала, отраженного взволнованной водной поверхностью и эффективной площади рассеяния водной , -жения приемника и передатчика радиосигналов, для случая двухпозиционной радиолокации. Результаты работы применимы для построения двухпозиционных систем дистанционного зондирования параметров водной поверхности на базе сигналов спутниковой системы .

Удельная ЭПР водной поверхности; двухпозиционная радиолокация; квазизеркальное ; .

S.A. Grosul EFFECT OF SEA ROUGHNESS ON REFLECTED SIGNAL FOR BISTATIC RADAR

The tasks of determination of intensity complex amplitude of the signal, reflected from sea surface and an effective scattering area of water surface as a function from speed of surface wind and geometry of location of a receiver and a signals transmitter for the bistatic radar was solved. The results of the work done can be used in construction of bistatic systems of the remote sensing of water surface variables, based on the GPS satellite system signals.

Effective scattering area of water surface; bistatic redar; the quasimirror bistatic scattering; wind waves.

Одним из параметров, 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. Настоящая статья посвящена решению задач определения интенсивности комплексной амплитуды сигнала, отраженного взволнованной водной поверхностью и УЭПР водной поверхности при двухпози-.

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.

Определи/ интенсивность комплексной амплитуды напряжения на выходе приемной антенны по формуле

I0= U0 (h)U 0*(h) - U0 (h)U 0*(h). (1)

в

В соответствии с [1] выражение для интенсивности комплексной амплитуды для основных горизонтальной 11Т и вертикальной !ю поляризаций будет иметь вид

1

-X

(2)

R10R0 R20 R20

xexp(-ik(L - L')) exp( - ph (Ax, Ay)) FumpF'mpdx'dy', где G{cca,fia) - диаграмма направленности приемной антенны; - угол между

проекцией вектора R1 на плоскость XOY и осью Ox; fa - угол между осью диаграммы направленности приемной антенны и осью Oz; Q0 = . ——0 r ■

2л

2л

к = —^; Л - длина волны; Ё - коэффициент отражения Френеля водной поЛ

верхности; Ра - мощность, поступающая в антенну; О0 - коэффициент усиления

антенны; Аф - эффективная площадь антенны; Я - активное сопротивление

приемной антенны; рн (Дх, Ду) - нормированная пространственная корреляционная функция отражающей (морской) поверхности; Б - окрестность точки зеркального отражения; Дх = х — х , Ду = у — у ; Ь = Я1+Я2.

Поскольку длина отражаемой радиоволны значительно меньше величин неровностей морской поверхности, воспользуемся приближенным значением рн Дy), полученным в результате разложения в ряд по степеням Дх и Ду [1]:

/ , \

Ph (Ax, Ay) «1-

1 2л

—---------2

l л2

V h hx

Ax2

с \

1 2л

—---------2“

l л2

V hy ^hy

(3)

Известия ЮФУ. Технические науки

где 1кх и 1ку - радиусы корреляции поверхности вдоль осей Ох и Оу соответственно, Акх и Аку - длины морских волн в направлении координатных осей Ох и Оу. Подставив в (2) выражение (3) и преобразовав, получим

і

-і,, =

tL R r R tfG (а Pa)ixiy JJG (аа, Ра ) X

Л R10 R1 0 R20 R20 S s (4)

x exp (k (2 AxxAx - AxAx2 +2 AyyAy - Ay Ay2) - (BxAx2 + ByAy2)) ix'iy,

= cos2 Po + 1 ,

2R,

1 11 1

где a, = ^0 + —— ; Ay = —— + ——; Bx = -k2rlx(cosPo + cosWo)2;

2R

2R10 2R20

2

By =1 к2/ly(cosP0 + cos^0)2 - среднеквадратичное отклонение ординат вод-

ной поверхности; r2 = 2ah

1 2я

“Г +--------2

l2 A2

2

V hx

1 2^

hx

12

V hy

+

A2

величины

hy

среднеквадратичного угла наклона морских волн в направлении координатных Ох Оу .

Согласно экспериментальным данным, дисперсии углов наклона морской поверхности вдоль направления ветра и в направлении, перпендикулярном к нему, связаны со скоростью V приповерхностного ветра (м/с) на высоте 13 м над уровнем моря соотношениями [6]:

^ = 3,16-10~3Ув, г1у = 0,003 + 1,92-10>в. (5)

Заменив х2 = О - х0, где О - расстояния между приемником и передатчиком

по оси абсцисс, определим расстояние от приемника до точки отражения и от передатчика до точки отражения на водной поверхности:

К1 =>/(хо + х) + у2 + Но = л/Но + хо]1 + „У + 2 0 ,

1 + x2 + y2 - (D - xo)x

2R220 2R220

R2

V H 0 + x0 x2 y 2

R20 + —— + —------------------------x sin P0. (б)

20 0

2 R20 2 R20

Суммарное расстояние Ь, которое проходит отраженный сигнал от передатчика к приемнику, получим, используя выражения (6) и (7):

L = R1 + R2 ~ R10 + R20 + x

COS2 Po

V 2 R10

+ -

1

2 R

20 J

^ + ^Л

V 2 R10 2 R20 J

(7)

Так как за пределами области интегрирования Б значение выражения (4) практически равно нулю, то пределы интегрирования можно распространить до бесконечности и воспользовавшись решением [1], получим

1

1

і - і = Q

вв " Л2 RoRo R20R

— F F' G(а ,P )

/ amp omp \ • a)

1

10 10 20 20

2ГыПу (cos p0+ cosWo)

х ехр

COS2 Po

V 2 R10

/ \2 ( 1 1

V 2R10 2R20

rhx (cosPo+cosWo) rhfy (cosPo+cosWo)

Для определения коэффициента отражения Френеля Ё воспользуемся со-

отношениями, приведенными в работе [2] для горизонтальной и вертикальной по-

ляризации:

отр

. а 008 Р0-4ё

і cosp0 0

cos

р0

(9)

где Є - комплексная электрическая проницаемость среды отражения.

В соответствии с приведенным в [3] выражением, УЭПР можно определить как

а0 =

81 л2 Я2ЮЯ220 Кр Ра Со ^ эф

(10)

Подставив в (10) выражения (8) и (9), получим

яК у )^ап■(x, у ) =

. р С08 Р0-4Є і 008 р0--0-----

008

2УУу (8р0+ 008¥о)

X ехр

008 2 Р0

у 2 К10

2 К

20

1 1

У2К10

2 К

20 /

у (008 р0 + 008 ¥0) Уу (008 р0 + 008 ¥0)

(11)

На рис. 2 представлена зависимость УЭПР от координат на водной поверхности, при различных скоростях приповерхностного ветра и постоянном угле падения /0, равном 10°. Точка с координатами (0,0) соответствует точке зеркального

отражения по законам геометрической оптики. Как видно из графиков, с ростом скорости ветра при прочих постоянных параметрах задачи, размер зоны отражения , .

У„=7 м/с

У„=15 м/с

Рис. 2. Зависимость нормированной по уровню максимума отражения УЭПР от координат точки отражения,при Ув=7 м/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 ОХ.

1

Аналогичная зависимость наблюдается при изменении угла падения /0 (рис. 3).

Угол падения у/0 = 30° Угол падения у/0 = 60°

Рис. 3. Зависимость УЭПР от координат точки отражения в окрестностях точки зеркального отражения при различных углах падения у/0

Помимо увеличения поперечных размеров, с увеличением угла падения, возрастает несимметричность зоны отражения вдоль оси OX относительно точки , -го (относительно приемной антенны) участка зоны отражения. Подобная зависимость подтверждается экспериментальными данными, полученными в результате изучения солнечных бликов на водной поверхности [6]

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 радиосигналов 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 спутниковой системы ГЛОНАСС.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Гарнакерьян А А., Сосунов Л. С. Радиолокация мо рекой поверхности. - Ростов: Изд-во Ростовского университета, 1978. - 144 с.

2. Гарнакерьян А.А., Захиреет ВТ., Лобач В.Т., Панатов Г.С., Явкин AM. Радиоокеано-графическое навигационное и информационное обеспечение гидроавиации. - Таганрог: Изд-во ТРТУ, 1997. - 285 с.

3. Ло бач В.Т. Статистические характеристик и радиолокационных сигналов, отраженных от морской поверхности. - М.: Радио и связь, 2006. - 250 с.

4. . . ,

. - .: , 1968. - 224 .

5. . ., . . , , . - .,

1971. - 980 .

6. Cox C., Munk W. Slopes of the sea surface deduced from photograph of the sun glitter. - Bull. Sckipps lust. Oceonagr., Galif. Univ., 1956. - № 9.

Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н. А.А. Федотов.

Гроеуль Сергей Александрович - Технологический институт федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южный федеральный университет» в г. Таганроге; e-mail: [email protected]; 347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский 44; тел.: +790434701б7; кафедра радиотехнических и теле; .

Grosul Sergej Alexandrovich - Taganrog Institute of Technology - Federal State-Owned Autonomy Educational Establishment of Higher Vocational Education “Southern Federal University”; e-mail: [email protected]; 44, Nekrasovskiy, Taganrog, 347928, Russia; phone: +790434701б7; the department of radio engineering and telecommunication systems; postgraduate student.

УДК 534.222

PA. Козаченко, A.C. Пашня

ИССЛЕДОВАНИЕ ПУЧКА АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН, ПРОХОДЯЩИХ ЧЕРЕЗ ГРАНИЦУ РАЗДЕЛА ДВУХ СРЕД ПРИ ИЗЛУЧЕНИИ МНОГОЧАСТОТНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ

Рассматривается изменение коэффициентов отражения и прохождения по давле-, , -ских волн на границу раздела двух сред. В данной работе освещены параметры и критерии, которые могут быть применены для интегральной оценки свойств и характеристик биологических материалов в среде распространения и нелинейного взаимодействия при излучении пучка акустических волн многочастотным преобразователем. Основными требованиями к конструкции являются приближение формы движения преобразователя на резонансе к поршневому движению и отсутствие противофазных движений точек на поверх.

краевых задач методом конечных элементов с и использованием программы ANSYS.

Акустический показатель преломления; фактор фокусировки; акустическое сопро-; ; .

R.A. Kozachenko, A.S. Pashnja

RESEARCH OF THE BUNCH OF ACOUSTIC WAVES PASSING THROUGH BORDER OF SECTION OF TWO ENVIRONMENTS AT RADIATION BY THE MULTIFREQUENCY CONVERTER

Change of factors of reflection and passage on pressure, oscillatory speed, intensity from change of a hade of a bunch of acoustic waves on border of section of two environments is considered. In the given work parameters and criteria which can be applied for an integrated estimation of properties and characteristics of biological materials in the environment of distribution and nonlinear interaction at radiation of a beam of acoustic waves by the multifrequency converter are covered. The basic requirements to a design are approach of the form of movement of the converter a resonance to piston movement and absence of antiphase movements of points on a surface of the converter. Calculations were carried out by the numerical decision of three-dimensional regional problems by a method of final elements with and use of program ANSYS.

Acoustic indicator of refraction; the focusing factor; acoustic resistance; piezoelectric cell; frequency response.

При проектировании современных пьезокерамических преобразователей для гидроакустических антенн необходимо обеспечение излучения на частотах высших форм колебаний. Поэтому необходимо определить возможность практического использования одного и того же преобразователя, как при работе на основном

, 100 .