Зворотнє розсіювання електромагнітного поля об'єктами на поверхні моря у НВЧ і КВЧ діапазонах при ковзаючих кутах опромінення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут радіофізики та електроніки імені О.Я. Усикова

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

01.04.03 - радіофізика

Зворотнє розсіювання електромагнітного поля об'єктами на поверхні моря у НВЧ і КВЧ діапазонах при ковзаючих кутах опромінення

Кириченко Володимир Олександрович

Харків - 2000

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я.Усикова Національної Академії наук України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Разсказовський Вадим Борисович, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної Академії наук України, м. Харків, завідувач відділу.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор Чурилов Володимир Павлович, Радіоастрономічний Інститут Національної Академії наук України, м. Харків, заступник директора;

кандидат фізико-математичних наук, вченого звання не має Єфімов Валентин Борисович, Центр радіофізичного зондування Землі ім. А.І. Калмикова Національної Академії наук України, і Національного космічного агентства України, м. Харків, завідувач відділу.

Провідна установа:

Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна Міністерства освіти та науки України, кафедра прикладної електродинаміки, м. Харків.

Т. в. о. вченого секретаря спеціалізованої вченої ради доктор фізико-математичних наук О.І. Цвик

Анотація

електромагнітний хвиля розсіювання

Кириченко В.О. Зворотнє розсіювання електромагнітного поля об'єктами на поверхні моря у НВЧ і КВЧ діапазонах при ковзаючих кутах опромінення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук із спеціальності 01.04.03 - радіофізика. - Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної Академії наук України, Харків, 2000.

В дисертації досліджено характеристики поля електромагнітних хвиль міліметрового та сантиметрового діапазонів над морською поверхнею при кутах ковзання, близьких до нуля, висотах розташування об'єкту дослідження, близьких до висоти морських хвиль, і малих висотах розташування антен РЛС. Наведено оцінки впливу значних затінень, що існують при малих кутах ковзання, на статистику флуктуацій множника ослаблення. З'ясовано особливості поляризаційних характеристик і структури спектрів радіолокаційного відбиття від морських хвиль та об'єктів малого розміру на морській поверхні (моторних, веслових і вітрильних човнів, буїв і т.п.) при малих кутах ковзання. Розроблено алгоритми і програмні засоби для вивчення динаміки зміни спектрів відбиття у часі. Вивчено характеристики радіолокаційного відбиття міліметрового та сантиметрового діапазонів від збурень на морській поверхні, що утворюються від руху суден ("корабельної хвилі"), і розроблено моделі для їхнього опису. Оцінено можливості використання особливостей розсіювання електромагнітних хвиль міліметрового та сантиметрового діапазонів корабельними хвилями для поліпшення радіолокаційного спостереження судна і визначення параметрів його руху.

Ключові слова: зворотнє розсіювання, електромагнітне поле, НВЧ, КВЧ, ковзаючі кути опромінення, натурний експеримент, комп'ютерне моделювання, хвилі на поверхні моря, корабельні хвилі.

Аннотация

Кириченко В.А. Обратное рассеяние электромагнитного поля объектами на поверхности моря в СВЧ и КВЧ диапазонах при скользящих углах облучения. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика. - Институт радиофизики и электроники имени А.Я. Усикова Национальной Академии наук Украины, Харьков, 2000.

В диссертации рассмотрено влияние особенностей распространения СВЧ и КВЧ электромагнитных волн над морем и их рассеяния водной поверхностью и объектами на ней на спектральные, амплитудные и поляризационные характеристики радиолокационных отражений при малых высотах расположения излучателя и приемника, проведен анализ возможностей использования содержащейся в отраженных сигналах информации для решения практических задач мониторинга акваторий и повышения безопасности мореплавания.

Диссертация состоит из введения, четырех разделов и выводов. Список используемой литературы содержит 116 наименований. В первом разделе по материалам литературных источников дан анализ современного состояния изучения физики рассеяния электромагнитных волн миллиметрового и коротковолновой части сантиметрового диапазонов и радиолокационных отражений от моря и надводных объектов при скользящих углах облучения. Показано, что, несмотря на многочисленные исследования по этой проблеме, ведущиеся с начала использования радиолокации на море, современное развитие радиоэлектронных методов и средств обработки информации выдвигает новые вопросы, требующие углубления знаний о свойствах явлений. В частности показано, что требуют дальнейшего развития представления о спектрально-поляризационных характеристиках таких отражений. Отмечена необходимость дальнейших исследований характерных особенностей отражений от малоразмерных объектов и волновых образований на поверхности моря. Второй раздел посвящен изложению результатов исследования влияния взволнованной водной поверхности на распространяющийся непосредственно вблизи нее сигнал миллиметрового и коротковолновой части сантиметрового диапазонов. Приведены качественные и количественные характеристики флуктуаций множителя ослабления. Предложена физическая модель, объясняющая особенности флуктуаций множителя ослабления, отмечавшиеся ранее, но не находившие теоретического объяснения. Методом статистического моделирования оценено влияние затенений от морских волн на закон распределения флуктуаций. В третьем разделе излагаются результаты исследования особенностей пространственной и поляризационно-спектральной структур отражений от моря и надводных объектов в миллиметровом и коротковолновой части сантиметрового диапазонах. Приводятся качественные и количественные данные по спектральным и поляризационным особенностям отражений от взволнованной морской поверхности и малоразмерных надводных объектов различных типов. Здесь же исследуются поляризационные и спектральные особенности радиолокационных отражений от волн, образующихся при движении судов. Четвертый раздел содержит результаты прикладных исследований, демонстрирующие практическую значимость результатов, изложенных в предыдущих разделах. Здесь предложена модель радиолокационных отражений от корабельных волн и приведена построенная на ее основе методика определения скорости движения судов при помощи некогерентных РЛС. Приведены рекомендации по повышению радиолокационного контраста объектов на фоне морской поверхности, подтвержденные результатами имитационного моделирования. В результате выполнения диссертационной работы получены следующие результаты, обладающие научной новизной. На основе новых экспериментальных данных установлены особенности множителя ослабления электромагнитного поля КВЧ диапазона, распространяющегося вблизи взволнованной водной поверхности (в том числе в области полутени). Определены основные статистические характеристики множителя ослабления необходимые для расчета характеристик РЛС: средние значения, законы распределения и спектры его флуктуаций. Предложены способы описания множителя ослабления, проверенные методом статистического моделирования. Получены новые данные о поляризационных характеристиках и особенностях "тонкой " структуры спектров, в частности о флуктуациях спектральных составляющих радиолокационных отражений КВЧ электромагнитных волн от моря и малоразмерных объектов при скользящих углах зондирования. Определены энергетические, спектральные и поляризационные характеристики радиолокационных отражений КВЧ диапазона от волн, которые создаются движущимися судами на водной поверхности. Практическое значение работы определяется следующим. Установлены закономерности, позволяющие оценить уровни поля над поверхностью в области границы тени и обосновать выбор диапазона радиоволн для радиолокационного наблюдения морской поверхности и малоразмерных предметов на ней. Показана возможность использования радиолокационных отражений от корабельных волн для улучшения радиолокационной наблюдаемости судов на фоне отражений от морской поверхности и получения дополнительной информации о параметрах движения судов, необходимой для повышения безопасности навигации. Разработаны методы и алгоритмы соответствующей обработки сигналов. Создан пакет прикладных программ для оценки энергетических и статистических характеристик КВЧ и СВЧ поля над поверхностью моря в области границы тени.

Ключевые слова: обратное рассеяние, электромагнитное поле, СВЧ, КВЧ, скользящие углы облучения, натурный эксперимент, компьютерное моделирование, волны на поверхности моря, корабельные волны.

Annotation

Kirichenko V.A. Back Scattering of the HF and VHF Electromagnetic Field by the Objects on the Sea Surface at Grazing Angles. - Manuscript.

A thesis in partial fulfillment of the requirements for the Candidate of Science degree in Physics and Mathematics (specialty code 01.04.03 - Radio Physics). - Usicov's Institute for Radio Physics and Electronics of the National Academy of Science of Ukraine, Kharkov, 2000.

In the thesis the performances of the millimeter and centimeter electromagnetic field near the sea surface at close to zero grazing angles, heights of targets close to heights of marine waves and low heights of a disposition of radar antennas are investigated. The evaluations of influence of significant shadowing (which exist at small grazing angles) on statistics of fluctuation of the depression factor are indicated. The features of polarizing performances and structures of spectra of radar reflections from marine waves and objects of a small size on a marine surface (motor, oar and sailing boats, buoys etc.) for small grazing angles are clarified. The algorithms and program methods for study of dynamics of a modification of spectra of reflections in time are developed. The performances of radar reflections of millimeter and centimeter ranges from perturbations on a marine surface which generated due to the movement of vessel ("the vessel wave") are investigated and the models for their description is developed. The possibilities of using of features of scattering of electromagnetic waves of millimeter and centimeter ranges by vessel waves for improving of the radar observation of the vessels and determination of parameters of its motion are estimated.

Key words: back scattering, electromagnetic field, HF band, VHF band, grazing angles, full-scale experiment, computer simulation, sea waves, vessel waves.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Велика увага зараз приділяється розвитку методів виявлення береговими та судновими радіолокаційними станціями (РЛС) наявності на морській поверхні суден малого розміру і плаваючих дрібних предметів. Ця задача є актуальною для навігаційних РЛС, тому що зіткнення з плаваючими предметами (колоди, бочки і т.п.) можуть стати причиною значних пошкоджень сучасних швидкісних суден. Наявність у прибережній зоні й в акваторіях портів великої кількості плавзасобів (веслових і вітрильних човнів, віндсерферів та ін.), часто не контрольованих диспетчерськими службами портів, стає причиною аварій. Існуючі суднові і берегові радіолокаційні засоби не задовольняють сучасним вимогам до надійності вирішення цієї та багатьох інших задач морської радіолокації, зокрема, моніторингу стану морської поверхні, що є новою галуззю застосування радіолокаційних методів, яка знаходиться у стадії інтенсивного розвитку.

Як один із шляхів розв'язання цих задач розглядається застосування нових діапазонів радіохвиль, зокрема міліметрового (КВЧ діапазону), а також близької за властивостями короткохвильової смуги сантиметрового діапазону (НВЧ діапазону). Інтерес до цього діапазону викликано багатьма перевагами, які дає його застосування в порівнянні з більш довгохвильовими діапазонами, а в ряді випадків принципово новими можливостями, обумовленими особливостями взаємодії КВЧ поля з компонентами навколишнього середовища. Деякі явища в міліметровому діапазоні якісно відрізняються від існуючих на більш довгих хвилях, вимагаючи нового підходу до аналізу роботи радіоелектронної апаратури (РЕА). Однією з основних характерних рис є висока інструментальна чутливість систем цих діапазонів до структури нерівностей поверхні тіл (зокрема хвиль та піни на воді), що робить їх ефективним засобом неконтактного визначення характеристик і особливостей руху об'єктів дослідження.

Сучасний етап в освоєнні КВЧ діапазону характеризується як створенням нової техніки на основі досягнень відповідних областей науки, так і продовженням інтенсивних науково-дослідних робіт, спрямованих на розвиток розуміння фізики процесів, що відбуваються при взаємодії КВЧ поля з навколишнім середовищем. Особливо великий інтерес із погляду практичного використання КВЧ викликає область малих кутів ковзання, що складають частки градуса. Це пов'язано з тим, що саме їм відповідають лінії зв'язку між кореспондентами, розташованими на поверхні моря або суші, а також умови радіолокації наземних і надводних об'єктів наземними й судновими РЛС.

Дисертаційна робота присвячена виявленню особливостей радіолокаційного відбиття електромагнітних хвиль КВЧ і короткохвильової частини НВЧ діапазонів від об'єктів (суден малих розмірів, дрібних плавучих об'єктів), і утворень на водяній поверхні (зокрема, корабельних хвиль) при ковзаючих кутах зондування, висотах розташування відбиваючих об'єктів, близьких до висот нерівностей поверхні і малих висотах розташування антен РЛС. Ці дані дуже корисні, як для розвитку розуміння фізики процесів, так і для розробки деяких класів сучасних морських радіолокаційних систем (навігаційних, попередження зіткнення, екологічного моніторингу і деяких інших). Пропонуються окремі варіанти практичного використання отриманих результатів.

Актуальність досліджень, проведених у дисертаційній роботі, визначається необхідністю розвитку фізичних уявлень про зворотнє розсіювання НВЧ і КВЧ поля водяною поверхнею та об'єктами малих розмірів на ній при зондуванні під малими кутами для створення нових і модернізації існуючих РЛС морського й берегового базування, що вирішують задачі моніторингу стану морської поверхні й безпеки навігації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати досліджень, що увійшли до дисертації, є складовими частинами науково-дослідних робіт, що виконувались за розпорядженням Президії АН УРСР у рамках комплексної програми "Фундаментальне дослідження міліметрових та субміліметрових хвиль та їхнє використання у народному господарстві" Інститутом радіофізики та електроніки НАН України (раніше АН УРСР): фундаментальних НДР "Ранец" і "Радуга", декількох госпрозрахункових робіт, а також роботи, що фінансувалася на конкурсних засадах Українським науково-технологічним центром (УНТЦ проект № 145, 1998 - 1999 р.р.).

Мета досліджень - експериментально вивчити особливості поширення КВЧ і НВЧ електромагнітних хвиль над морем та їх розсіювання водяною поверхнею й об'єктами на ній та вплив цих особливостей на спектральні, амплітудні й поляризаційні характеристики радіолокаційного відбиття при розташуванні об'єкта у безпосередній близькості від поверхні моря і малій висоті розташування випромінювача, а також провести аналіз можливостей використання інформації, що знаходиться у відбитих сигналах, для вирішення практичних задач моніторингу акваторій і підвищення безпеки мореплавства.

Задачі досліджень, відповідно до зазначеної мети, були такі:

Визначити на підставі експериментальних даних характеристики поля КВЧ і НВЧ радіохвиль над морською поверхнею при кутах ковзання, близьких до нуля, і висоті розташування одного з кореспондуючих пунктів, близької до висоти морських хвиль. Оцінити вплив значних затінень, що існують при малих кутах ковзання, на статистику флуктуацій множника ослаблення;

З'ясувати особливості поляризаційних характеристик і структури спектрів радіолокаційного відбиття від морських хвиль та об'єктів малого розміру на морській поверхні (моторних, веслових і вітрильних човнів, буїв і т.п.) при малих кутах ковзання. Розробити алгоритми і програмні засоби для вивчення динаміки зміни спектрів відбиття у часі;

Вивчити характеристики радіолокаційного відбиття НВЧ і КВЧ електромагнітного поля від збурень на морській поверхні, що утворюються від руху суден ("корабельної хвилі") і розробити моделі для їхнього опису;

Оцінити можливості використання розсіювання НВЧ і КВЧ електромагнітного поля корабельними хвилями для поліпшення радіолокаційного спостереження суден і визначення параметрів їхнього руху.

Наукова новизна отриманих результатів: На підставі нових експериментальних даних установлено особливості множника ослаблення електромагнітного поля КВЧ діапазону при поширенні поблизу схвильованої водяної поверхні (у тому числі в області напівтіні). Визначено основні статистичні характеристики множника ослаблення необхідні для розрахунку характеристик РЛС: середні значення, закони розподілу й спектри його флуктуацій у залежності від дистанції й висоти точки спостереження над поверхнею моря. Запропоновано засоби опису статистики множника ослаблення, перевірені методом статистичного моделювання.

Отримано нові дані про поляризаційні характеристики й особливості "тонкої" структури спектрів, зокрема про флуктуації спектральних складових радіолокаційного відбиття КВЧ радіохвиль від моря та об'єктів малого розміру (малі моторні судна, вітрильники, веслові човни) при ковзаючих кутах зондування. Визначено енергетичні, спектральні й поляризаційні характеристики радіолокаційного відбиття КВЧ діапазону від хвиль, що створюються на поверхні суднами, які рухаються.

Практичне значення отриманих результатів полягає у наступному:

Встановлено закономірності, що дозволяють оцінити рівні поля над поверхнею в області межі тіні й обгрунтувати вибір діапазону радіохвиль для радіолокаційного спостереження морської поверхні і об'єктів малого розміру на ній.

Доведено можливість використання радіолокаційного відбиття від корабельних хвиль для поліпшення радіолокаційного спостереження суден на тлі відбиття від морської поверхні. Встановлено можливість використання радіолокаційного відбиття від корабельних хвиль для одержання додаткової інформації про параметри руху суден, необхідної для підвищення безпеки навігації. Розроблено методи й алгоритми відповідної обробки сигналів.

Створено пакет прикладних програм для оцінки енергетичних і статистичних характеристик КВЧ і НВЧ поля над поверхнею моря в області межі тіні.

Створено програмно-апаратний комплекс і пакет прикладних програм для дослідження спектрально-поляризаційних особливостей радіолокаційного відбиття КВЧ і НВЧ радіохвиль від водяної поверхні, корабельних хвиль і об'єктів малого розміру на водяній поверхні.

Сформовано банк експериментальних даних відбиття від схвильованої водяної поверхні й об'єктів малого розміру на ній.

Особистий внесок здобувача. У роботах [1-17] здобувачем проведені необхідні теоретичні розрахунки, обробка та аналіз отриманих експериментальних даних, виконане моделювання на ЕОМ, сформульовані висновки. У роботах [4, 15, 16] його особистий внесок полягає також у постановці задачі, розробці методики проведення та проведенні експериментальних досліджень, а у роботі [15] ще й у створенні вимірювальних апаратурних комплексів.

Здобувач був ініціатором та виконавцем досліджень, результати яких склали зміст дисертації.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідались на наступних науково-технічних конференціях і симпозіумах:

II Всесоюзная научно-техническая конференция "Методы представления и обработки случайных сигналов и полей", Туапсе, 1991 г.

I Украинский симпозиум "Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн", Харьков, 1991 г.

XVI Конференция по распространению радиоволн, Ульяновск, 1993 г.

III Международная научно-техническая конференция "Методы представления и обработки случайных сигналов и полей", Туапсе, 1993 г.

3-я Крымская конференция и выставка "СВЧ техника и спутниковый прием", Севастополь, 1993 г.

International Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimiter Waves", Kharkov, Ukraine, 1994.

Международная научно-техническая конференция "Современная радиолокация", Киев, НИИ "Квант", 1994 г.

Научно-техническая конференция "Техника и физика электронных систем и устройств", Сумы, 1995 г.

Third International Kharkov Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves", Kharkov, Ukraine, 1998.

SPIE's 44 Annual Meeting and Exhibition, Denver, Colorado USA, 1999.

Публікації. По темі дисертації автором опубліковано 17 друкованих праць, з яких 3 статті в наукових виданнях та 14 у матеріалах конференцій та симпозіумів.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів та висновків. Загальний обсяг дисертації 147 сторінок, що крім основного тексту включають 30 ілюстрацій на 27 сторінках, 12 таблиць та перелік джерел, що використалися, з 116 найменувань на 14 сторінках.

Дисертація написана російською мовою.

2. Зміст роботи

У вступі обгрунтовано актуальність задачі вивчення особливостей поширення КВЧ і НВЧ електромагнітних хвиль над морем і їх розсіювання водяною поверхнею й об'єктами на ній на спектральні, амплітудні й поляризаційні характеристики радіолокаційного відбиття при малих висотах розташування випромінювача й приймача. Сформульовано мету досліджень, а також засоби її досягнення. Описано зв'язок роботи з науковими програмами та НДР. Наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів. Визначено особистий внесок здобувача, представлено відомості про апробацію та публікації результатів дисертації.

У першому розділі за матеріалами літературних джерел наведено аналіз сучасного стану вивчення фізики розсіювання електромагнітних хвиль КВЧ і НВЧ діапазонів і радіолокаційного відбиття від моря і надводних об'єктів при ковзаючих кутах опромінювання. Показано, що незважаючи на численні дослідження з цієї проблеми, що проводяться з початку використання радіолокації на морі, сучасний розвиток радіоелектронних методів і засобів обробки інформації висуває нові питання, які потребують поглиблення знань про властивості явищ. Зокрема звернено увагу, що, по-перше, майже відсутні дані про особливості опромінювання об'єктів, що мають висоту, близьку до висот морських хвиль, по-друге, потребують подальшого розвитку уявлення про спектрально-поляризаційні характеристики відбиття радіохвиль такими об'єктами.

Відзначено необхідність подальших досліджень характерних ознак відбиття від об'єктів малого розміру і хвилевих утворень на поверхні моря.

Другий розділ присвячено викладенню результатів дослідження впливу схвильованої водяної поверхні на сигнал КВЧ і НВЧ діапазонів, що поширюється безпосередньо поблизу неї, та на опромінювання об'єктів, висоти яких близькі до висот морських хвиль. Приведено якісні й кількісні характеристики флуктуацій множника ослаблення. Зокрема доведено, що у сантиметровому й міліметровому діапазонах аж до дальностей, що відповідають радіогоризонту, множник ослаблення поля, як правило, істотно перевищує розрахункові значення для стандартної рефракції і реально існуючих висот морських хвиль, причому розбіжність між результатами розрахунків із застосуванням загально прийнятих методів та експериментальними даними стає дуже суттєвою при висотах над поверхнею близьких до висот морських хвиль. Зменшення довжини хвилі з 3,2 см до 0,8 см призводить при таких висотах до зростання множника ослаблення приблизно на 10 дБ. Показано також, що енергетичний спектр флуктуацій множника ослаблення суттєво низькочастотний. До 30% потужності флуктуацій знаходиться у смузі частот 0,02...0,09 Гц.

На підставі вивченого матеріалу, зокрема, характеристик впливу на поширення електромагнітного поля затінень від морських хвиль, створено фізичну модель, що пояснює особливості флуктуацій множника ослаблення, які спостерігалися раніше, але не знаходили теоретичного пояснення. Методом статистичного моделювання оцінено вплив затінень від морських хвиль на закон розподілу флуктуацій.

У третьому розділі викладено результати дослідження особливостей просторової й поляризаційно-спектральної структур відбиття від поверхні моря і малих надводних об'єктів у НВЧ і КВЧ діапазонах. Приведені якісні й кількісні дані про спектральні та поляризаційні особливості відбиття від схвильованої морської поверхні і надводних об'єктів різноманітних типів (моторні катери, веслові та вітрильні човни, буї). Зокрема, для деяких класів об'єктів, що досліджувалися, (малі моторні судна, вітрильники, веслові човни) встановлено присутність у спектрах відбиття окремих складових, флуктуації амплітуди яких пов'язані зі специфікою руху об'єктів. Наприклад, у поточних спектрах відбиття від веслових човнів спостерігаються високочастотні “спалахи” (вище частоти лінії корпусу), обумовлені відбиттям електромагнітних хвиль від весел при змахах. Показано, що перепади амплітуд при цих флуктуаціях досить значні і досягають 17...18 дБ. З'ясовано, що в чотирьохміліметровому діапазоні розходження в середніх коефіцієнтах деполяризації сигналів, відбитих від об'єкта в цілому й відбитих від моря, як правило не перевищує 3...5 дБ, тоді як для лінії корпусу ця різниця може досягати 10...15 дБ. На підставі цих даних зроблений висновок про те, що вибір комбінації поляризації випромінювання й прийому може дозволити підвищити контраст спостереження об'єктів на фоні водяної поверхні, і відзначено, що на відміну від середніх значень коефіцієнтів деполяризації відбитих сигналів, рівень деполяризації окремих компонент спектра сигналу, розсіяного моторним судном, може служити як інформативна ознака для виділення ділянок спектру, пов'язаних із вібраціями корпусу, обумовленими роботою рухових установок.

Досліджено поляризаційні й спектральні особливості радіолокаційного відбиття від хвиль, що утворюються на воді від руху суден. Зроблено висновок про можливість використання відбиття від корабельних хвиль для визначення швидкості руху суден у некогерентних РЛС. Показано доцільність використання ефектів, обумовлених відбиттям від корабельних хвиль, для виявлення суден. Встановлено, що у короткохвильовій частині сантиметрового діапазону з метою збільшення ефективної поверхні розсіяння корабельних хвиль доцільно застосовувати випромінювання з горизонтальною поляризацією.

Проведено аналіз отриманих даних з урахуванням результатів досліджень, викладених у попередньому розділі.

Четвертий розділ містить результати прикладних досліджень, що демонструють практичну значущість результатів, викладених у попередніх розділах. Тут запропонована модель радіолокаційного відбиття від корабельних хвиль і приведена побудована на її підставі методика визначення швидкості руху суден за допомогою некогерентних РЛС, зокрема теоретично отримано й експериментально підтверджено співвідношення, що дозволяє оцінювати модуль вектора швидкості руху судна для різноманітних значень курсових кутів і вимірюваної швидкості. Показано відповідність результатів моделювання до реальних експериментальних даних. У цьому ж розділі отримано характеристики ефективності компенсації завад, утворюваних відбиттям від морської поверхні на виході амплітудного каналу некогерентних РЛС при використанні фільтрової системи селекції цілі, що рухається. Зокрема показано, що використання відбиття від корабельних хвиль дозволяє поліпшити радіолокаційний контраст об'єктів до 13 дБ. Зроблено висновки про доцільність її застосування для підвищення радіолокаційного контрасту об'єктів малого розміру на фоні моря. Приведені рекомендації по підвищенню радіолокаційного контрасту об'єктів на тлі морської поверхні, підтверджені результатами імітаційного моделювання.

У висновках сформульовано основні результати, отримані при виконанні даної роботи, дано рекомендації по їхньому подальшому використанню.

Висновки

Основні результати роботи полягають в наступному:

Отримано нові дані про множник ослаблення електромагнітних хвиль НВЧ і КВЧ діапазонів при поширенні їх поблизу водяної поверхні, зокрема:

Встановлено, що у сантиметровому й міліметровому діапазонах аж до дальностей, що відповідають радіогоризонту, множник ослаблення поля, як правило, істотно перевищує розрахункові значення для стандартної рефракції і реально існуючих висот морських хвиль.

Встановлено, що статистичні характеристики флуктуацій множника ослаблення при висотах більш 0,5...1 м над поверхнею узгоджуються з висновками робіт, у яких поле над поверхнею уявляється як сума поля вільного простору, дзеркальної (когерентної) і дифузійної (некогерентної) компонент відбитого поля. У той же час при висотах, близьких до висот морських хвиль, особливо поблизу межі тіні, відбувається підвищення вірогідності низьких рівнів поля в порівнянні з флуктуаціями на висотах більш 0,5...1 м.

Встановлено, що енергетичний спектр флуктуацій множника ослаблення суттєво низькочастотний.

Вивчено поляризаційно-спектральні особливості відбиття від надводних об'єктів, що мають малі розміри. Зокрема:

Для класів об'єктів, що досліджувалися, (малі моторні судна, вітрильники, веслові човни) встановлена присутність у спектрах відбиття окремих складових, флуктуації амплітуди яких пов'язані зі специфікою руху об'єктів у цілому чи їх частин.

На підставі цих даних дослідження зроблено висновок про те, що рівень деполяризації окремих компонент спектра сигналу, розсіяного моторним судном, може служити в якості інформативної ознаки для виділення ділянок спектру, пов'язаних із вібраціями корпусу, обумовленими роботою рухових установок, на відміну від середніх значень коефіцієнтів деполяризації відбитих сигналів.

Встановлено, що для сигналів, відбитих від надводних об'єктів, характерний більш високий, ніж для моря, рівень кореляції сигналів на ортогональних поляризаціях із виходу як амплітудного, так і синхронного детекторів. Це свідчить про те, що фазові й амплітудні флуктуації відбиття від надводних об'єктів обумовлені одними й тими ж розсіювачами, пов'язаними з жорсткими конструктивними елементами корпусу.

Вивчено особливості розсіювання електромагнітного поля хвилями, що утворюються при русі суден по водяній поверхні. Зокрема:

Досліджено особливості розсіювання електромагнітного поля сантиметрового й міліметрового діапазонів корабельними хвилями та запропоновано апроксимуючу функцію для спектру сигналу від корабельних хвиль на виході некогерентного каналу РЛС, яка дозволяє моделювати спектри для всього діапазону кутів опромінення об'єктів, що рухаються з різноманітними швидкостями, що добре узгоджується з експериментальними даними.

Показано, що для вимірювання швидкості суден доцільно використовувати високочастотні компоненти у спектрі флуктуацій амплітуд сигналу, обумовлені відбиттям від корабельних хвиль.

Показано доцільність використання ефектів, обумовлених відбиттям від корабельних хвиль, для виявлення суден.

Отримано характеристики ефективності компенсації завад, що утворюються відбиттям від морської поверхні на виході амплітудного каналу некогерентних РЛС при використанні фільтрової системи селекції цілі, що рухається. Зроблено висновки про доцільність її застосування для підвищення радіолокаційного контрасту об'єктів малого розміру на тлі моря.

Отримані в дисертаційній роботі результати служать розвитку теоретичної бази, необхідної для розуміння радіофізичних аспектів розсіювання електромагнітних хвиль поверхнею моря і дрібномасштабними об'єктами радіолокаційного спостереження, що знаходяться на ній, а наведені рекомендації можуть бути безпосередньо використані при розробці морських і річкових радіолокаційних систем забезпечення безпеки плавання й екологічного моніторингу.

Публікації з дисертації

1. Луценко В.И., Кириченко В.А. Экспериментальное определение информативных признаков для радиолокационного распознавания наземных и надводных объектов // Сб. тр. "Техника миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн".- Харьков: АН Украины, ИРЭ АН Украины.- 1993.- С. 5-18.

2. Lutsenko V.I., Kirichenko V.A. Vessel Velocity Evaluation by Vessel Wave Backscattering Spectrum Characteristics with Non-Coherent Radars // Microwave And Optical Technology Letters.- 1996.- Vol. 13, N 6.- pp. 369-372.

3. Разсказовский В.Б., Педенко Ю.А., Логвинов Ю.Ф., Кириченко В.А. Закон распределения флуктуаций множителя ослабления миллиметровых и сантиметровых радиоволн над морем // Сб. тр. "Радиофизика и электроника".- Харьков: Нац. академия наук Украины, ИРЭ НАН Украины.- 1998.- Т. 3, N 3.- С. 68-77.

4. Kirichenko V.A., Sugak V.G. Time-frequency distributions of radar-returns from sea surface in X- and Ka- bands // Signal and Data Processing of Small Targets 1999, SPIE Proceedings, - Washington: SPIE.- 1999, Vol. 3809.- pp. 547-554.

5. Луценко В.И., Кириченко В.А. Эффективность обнаружителей сигналов с адаптацией порога и линейного рангового в условиях помех от суши и моря // II Всесоюзная научно-техническая конференция "Методы представления и обработки случайных сигналов и полей": Тезисы докладов. 30 сентября - 2 октября 1991 г.- Харьков: ХИРЭ, 1991.- С. 160.

6. Луценко В.И., Кириченко В.А., Мишин А.А. Распознавание скоростных надводных объектов на фоне отражений от моря в некогерентных РЛС // I Украинский симпозиум "Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн", Харьков, 15-18 октября 1991 г, тез. докладов в 2х частях.- Харьков: ИРЭ АН УССР.- 1991.- Ч. 2.- С. 50-51.

7. Луценко В.И., Савенко Н.Н., Разсказовский В.Б., Кириченко В.А. Экспериментальное изучение информативных признаков сигналов, рассеянных надводными и наземными объектами // I Украинский симпозиум "Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн", Харьков, 15-18 октября 1991 г, тез. докладов в 2х частях.- Харьков: ИРЭ АН УССР.- 1991.- Ч. 2.- С. 52-53.

8. Луценко В.И., Кириченко В.А. Статистические характеристики нестационарных отражений от моря в сантиметровом и миллиметровом диапазонах волн. // 16 Конференция по распространению радиоволн. Ульяновск 21-24 сентября 1993. года, тезисы докладов.- Ульяновск: - Секции 3, 4, 5.- 1993. - С. 80.

9. Кириченко В.А., Луценко В.И., Савенко Н.Н. Обнаружение и распознавание объектов по поляризационно-спектральным особенностям рассеянных сигналов // Труды 3 МНТК "Методы представления и обработки случайных сигналов и полей", Тез. докл.- Харьков: ХИРЭ.- 1993.- С. 88.

10. Луценко В.И., Кириченко В.А. Обнаружение и распознавание объектов в некогерентных РЛС по характеристикам обратного рассеяния от корабельных волн // Труды 3 МНТК "Методы представления и обработки случайных сигналов и полей", Тез. докл.- Харьков: ХИРЭ.- 1993.- С. 91.

11. Луценко В.И., Кириченко В.А. Экспериментальное определение информативных признаков для радиолокационного распознавания наземных и надводных объектов // 3-я Крымская конференция и выставка "СВЧ техника и спутниковый прием", Севастополь 1993 г, материалы конференции в 6-ти томах, Т 6.- Севастополь: Вебер.- 1993.- С. 786-789.

12. Lutsenko V.I., Kirichenko V.A. Target Velocity Evaluation in Non-Coherent Radars Using of Vessel Wave Backscattering Spectrum Characteristics // Int. Symp. "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimiter Waves".- Kharkov: IRE of NAS of Ukraine, Vol. 3.- 1994,- pp. 622-625.

13. Луценко В.И., Кириченко В.А. Методы пространственно-временной и поляризационной селекции надводных целей // Международная научно-техническая конференция "Современная радиолокация", Научно-технический сборник (тезисы докладов), АН Прикладной электроники, НИИ "Квант". - Киев: НИИ "Квант" 1994.- С. 159-160.

14. Луценко В.И., Кириченко В.А. Оценка дальности обнаружения целей в условиях негауссовских помех от моря // Международная научно-техническая конференция "Современная радиолокация", Научно-технический сборник (тезисы докладов), АН Прикладной электроники, НИИ "Квант". - Киев: НИИ "Квант" 1994.- С. 161-162.

15. Евдокимов А.П., Крыжановский В.А., Кириченко В.А., Луценко В.И., Хоменко С.І. Малогабаритный автодин КВЧ диапазона // НТК Техника и физика электронных систем и устройств, 18-20 мая 1995 г., Сумской государственный университет, ИПФ НАНУ.- Сумы: Сумской государственный университет.- 1995.- С. 195-196.

16. Kirichenko V.A., Kulemin G.P., Sugak V.G. Frequency-Temporal distributions of Radar Returns from Sea Surface in X and Ka Band // Proceedings of Third International Kharkov Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves", Kharkov, Ukraine (September 15-17, 1998), Vol. 2.- Kharkov:.- 1998.- pp. 517-519.

17. Lutsenko V.I., Homenko S.I., Uzlenkov A.A., Kirichenko V.A. Influence of Oil Film on Spectral and Polarization Features of S-, Ka- and V- band Water Surface Back-scattering // Proceedings of Third International Kharkov Symposium "Physics and Engineering of Millimeter and Submillimeter Waves", Kharkov, Ukraine (September 15-17, 1998), Vol. 2.- Kharkov: IRE.- 1998.- pp. 558-560.

Размещено на Allbest.ru