Поля завад та спостереження об’єктів над земною поверхнею у радіотехнічних системах сантиметрових та міліметрових хвиль

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

НАЦІОНАЛЬНИЙ АЕРОКОСМІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМ. М. Є. ЖУКОВСЬКОГО

“ХАРКІВСЬКИЙ АВІАЦІЙНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 621.396:681.3

05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Поля завад та спостереження об'єктів над земною поверхнею у радіотехнічних системах сантиметрових та міліметрових хвиль

Тарнавській Євген Володимирович

Харків - 2005



Дисертацією є рукопис

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

Науковий керівник: Доктор технічних наук, професор Кулємін Генадій Петрович, Інститут радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова НАН України, головний науковий співробітник (м. Харків)

Офіційні опоненти: Доктор технічних наук, професор Волосюк Валерій Костянтинович, Національний аерокосмічний університет ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, професор кафедри проектування радіоелектронних систем літальних апаратів (м. Харків)

Кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Шарапов Леонід Іванович, Радіоастрономічний інститут НАН України, старший науковий співробітник відділу космічної радіофізики (м. Харків)

Провідна установа: Відкрите акціонерне товариство “Акціонерне товариство Науково-дослідний інститут радіотехнічних вимірювань”, перше відділення, м. Харків.

Захист відбудеться 28.10.2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.062.07 Національного аерокосмічного університету ім. М. Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”

З текстом дисертації можна ознайомитись у бібліотеці університету.

Автореферат розісланий 26.10.2005 року

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Лукін В. В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Радіотехнічні системи сантиметрового (СМ) і міліметрового (ММ) діапазонів знайшли широке застосування при вирішенні різних задач. До них відносяться виявлення, визначення координат, супровід об'єктів, розташованих на земній поверхні або на малих висотах над нею, а також дистанційне зондування земної поверхні з метою визначення геологічної структури і морфологічних властивостей поверхні, для застосування у сільськогосподарських цілях і в низці інших задач.

Створення таких радіотехнічних систем є досить серйозною і тривалою задачею, яка включає в себе кілька етапів: проектування, створення макетів і проведення випробувань. При цьому неправильний вибір стратегії побудови системи на ранніх етапах проектування може істотно ускладнити розробку на більш пізніх етапах або взагалі унеможливити рішення поставленої задачі. Трудомісткість проектування може бути значно знижена, якщо на його ранніх етапах без створення макетів шляхом моделювання відібрати найбільш оптимальні рішення і провести їхні оцінки. Останні містять у собі визначення параметрів системи, що розроблюється, і їхню відповідність технічному завданню при роботі системи в реальних умовах, тобто над реальною земною поверхнею, з використанням даних про погодні умови. Це вимагає включення в модель даних про умови поширення радіохвиль СМ і ММ діапазонів над реальною земною поверхнею.

Останнім часом значний інтерес викликає проблема побудови мереж радіотехнічних систем для одержання суцільного радіолокаційного поля, що необхідно, наприклад, при створенні систем керування повітряним рухом, охорони державних кордонів, одержанні даних дистанційного зондування великих територій і т. п. При вирішенні таких задач моделювання роботи радіотехнічної мережі, що враховує вплив реального рельєфу земної поверхні, наявності рослинного покриву і погодних умов на поширення радіохвиль цих діапазонів, без розміщення радіотехнічних систем на позиціях, їхньої прив'язки і наступних іспитів також є актуальною і складною проблемою.

Істотною особливістю наземних радіотехнічних систем короткохвильової частини сантиметрового і міліметрового діапазонів є виявлення, супровід і керування розташованими над поверхнею і наземними об'єктами, тобто при малих кутах ковзання. При цьому ефективність таких систем визначається, в основному, завадами, створюваними відбиттями від земної поверхні, що перевищують внутрішні шуми приймача. Крім того, при виявленні маловисотних об'єктів необхідно враховувати послаблення сигналів радіотехнічних систем унаслідок багатопроменевого поширення електромагнітного поля над земною поверхнею.

Можна виділити часове і просторове моделювання роботи радіотехнічних систем. Побудова обох моделей є актуальною, але дуже складною і громіздкою задачею. При цьому часове моделювання виявилося більш просунутим уперед, у той час як просторові моделі практично слабко розвинені, що зв'язано з мінливістю земної поверхні і, як наслідок, великими розходженнями в умовах поширення.

Застосування при моделюванні існуючих електродинамічних моделей поширення і зворотного розсіяння електромагнітного поля земною поверхнею досить обмежене або неможливе через дуже строгі допущення на параметри поверхні, яки виявляються істотно відмінними від спостерігаємих для реальних поверхонь. Крім того, моделі розроблені, як правило, для однорідних поверхонь, у той час як реальні земні території є неоднорідними.

Зазначені обставини роблять досить актуальною задачу створення моделі поля і карти радіотехнічних завад, створюваних зворотним розсіянням електромагнітного поля реальною земною поверхнею, а також поля спостереження об'єктів, які знаходяться над нею, з урахуванням багатопроменевого поширення над реальною шорсткуватою поверхнею. Побудова таких моделей зв'язана з урахуванням впливу реальних рельєфів земної поверхні і рослинного покриву. Тут дуже важливим є не стільки абсолютно точна побудова моделі, скільки виявлення якісних особливостей процесів для різних типів територій. Модель висуває підвищені вимоги до якості реконструкції цифрових моделей рельєфу, що робить актуальним їхнє подальше удосконалювання і розробку нових методів реконструкції. При цьому з погляду задач радіолокації і дистанційного зондування необхідне проведення статистичного аналізу і встановлення взаємозв'язку крупно- і дрібномасштабних характеристик шорсткості рельєфу.

Одержання даних про характеристики рослинного покриву з різних джерел з використанням методів розпізнавання образів є актуальною задачею не тільки для радіотехнічного моделювання, але і для низки суміжних задач дистанційного зондування. Тут є необхідним облік наявних експериментальних даних, що дозволяє створювати більш точні моделі, які можуть бути використані як у радіолокації, так і в задачах дистанційного зондування земної поверхні.

Підсумовуючи відзначене вище, можна зробити висновок про актуальність теми дисертаційної роботи, спрямованої на створення просторової моделі і побудову поля радіотехнічних завад та карт спостереження об'єктів над земною поверхнею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота тісно пов'язана з науково - дослідними роботами, проведеними в Інституті радіофізики та електроніки Національної Академії наук України, відповідно до планів фундаментальних робіт:

“Дослідження взаємодії радіохвиль із природними об'єктами і розробка методів дистанційної діагностики навколишнього середовища”, шифр “Равелін”, № Держ. реєстрації 01.00U006443.

Крім того, питання практичної реалізації вирішувалися в рамках робіт:

№2000DOCX/X901027UR “Розробка моделі і бази даних відбиттів від суші і моря” ( контракт з Китайським НДІ розповсюдження радіохвиль, Китай);

“Розробка феноменологічних моделей відбиттів від морської поверхні при малих кутах ковзання й інших джерел завад” (договір із НДІ “Квант - радіолокація”, Київ);

“Мethods for Ecologic Remote Monitoring, Processing and Interpretation of Soil Images”, (УНТЦ, проект #1659).

Мета і задачі досліджень - розробка методів побудови полів і карт завад та спостереження об'єктів з урахуванням рельєфу місцевості і рослинності.

Відповідно до поставленої мети в дисертаційній роботі були сформульовані і вирішені наступні задачі:

- аналіз різних методів моделювання, вибір найбільш придатного напрямку для реальної поверхні і розробка методів побудови карт завад та спостереження об'єктів;

- розробка методик представлення даних для моделювання;

- розробка методу реконструкції рельєфу з ізоліній за допомогою сплайн-функцій з наступним згладжуванням неоднорідностей нелінійним гаусівським фільтром;

- аналіз та узагальнення статистичних характеристик великомасштабних і дрібномасштабних нерівностей, узагальнення і порівняння з характеристиками дрібномасштабних нерівностей, побудова фрактальної моделі земної поверхні з заданими характеристиками;

- розробка методів класифікації даних про поверхню землі, що підстилає, з мультиспектральних космічних та аеро- знімків земної поверхні, з використанням штучного інтелекту(ШІ);

- удосконалення методу моделювання за допомогою систем ШІ і визначення шматочно-інтерполяційної функції питомої ЕПР із нечіткими початковими параметрами;

- побудова карти завад, оцінка отриманих результатів і карт радіолокаційного спостереження з урахуванням багатопроменевого поширення сигналу.

Об'єкт дослідження - поля радіолокаційних завад та спостереження об'єктів у сантиметрових і міліметрових діапазонах.

Предмет дослідження - методи створення карт завад і радіолокаційного спостереження в умовах відбиттів від земної поверхні і багатопроменевого поширення уздовж земної поверхні.

При вирішенні перерахованих вище задач використані методи статистичної обробки випадкових процесів, обчислювальної математики, нелінійної фільтрації, теорія штучного інтелекту і розпізнавання образів, топологія.

Достовірність результатів і висновків, отриманих у дисертаційній роботі, підтверджена використанням апробованих теорій, їхнє порівняння з даними експериментів, а також реальними радіолокаційними зображеннями, вимірами контрольних крапок висот на поверхні землі, визначенням зон затінення по реконструйованих моделях рельєфу, відповідністю класифікованої та реальної поверхні.

Наукова новизна отриманих у дисертаційній роботі результатів:

Запропоновано методи побудови полів радіолокаційних завад від земної поверхні, що враховує особливості рельєфу місцевості, наявність і тип рослинності, параметри РТС.

Розроблено новий метод відтворення рельєфу земної поверхні по ізолініях за допомогою сплайн-функцій і усунення неоднорідностей за допомогою неоднорідної гаусівської фільтрації.

Уперше розроблена просторова модель сигналу відповідно до проведеного статистичного аналізу великомасштабних і дрібно-масштабних нерівностей земної поверхні.

Уперше застосований новий метод класифікації образів з великою розмірністю вектора характеристик, створений на основі топологічного розподілу просторових ознак і класичних методів розпізнавання образів і вперше запропоновані методики використання методу дерева укрупнення для класифікації поверхні, що підстилає, з аэро- і фото знімків.

Запропоновано нову модель завад, на основі методу дерева укрупнення. За допомогою цього методу питома ЕПР подається у виді адаптивної шматочно-гладкої функції, побудованої на підставі даних реальних експериментів;

Побудовано карти багатопроменевого ослаблення сигналу і спостереження об'єктів для РТС із заданими характеристиками з урахуванням нерівності земної поверхні і рослинності.

Практична значимість. Основне практичне значення розробок у дисертаційній роботі полягає в наступному:

розроблений метод дозволяє будувати карти радіолокаційних завад для різнорідної земної поверхні з урахуванням рослинного покриву, що дає можливість враховувати особливості даної місцевості при роботі РТС та оптимізувати їхнє розміщення;

існує можливість розширення моделі з врахуванням експериментальних даних та її використання для рішення суміжних задач, таких як дистанційне зондування;

виявлення статистичних закономірностей у характеристиках земного рельєфу дозволяє моделювати рельєф необхідного виду з використанням його фрактального опису;

одержання програмного продукту для кінцевого споживача.

Велика частина запропонованих у дисертаційній роботі методів реалізована у виді програмного забезпечення, використовується в пакеті програм “RadarMap”.

Запропоновані методи класифікації використовувалися в проекті “Розробка феноменологічних моделей відбиттів від морської поверхні при малих кутах ковзання й інших джерел завад”

Аналіз статистичних характеристик земної поверхні було використано у проекті “Methods for Ecologic Remote Monitoring, Processing and Interpretation of Soil Images”.

Результати, які отримано в дисертаційній роботі, були впроваджені у наукових працях та контрактах Інституту радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова НАН України.

Особистий внесок автора. Особисто автором був зроблений аналіз наявних моделей, вихідних даних, методик їхнього одержання, і на підставі цього розроблене багатошарове представлення даних [1-4], що враховує їхні особливості.

Для зменшення похибок моделювання був розроблений метод відновлення рельєфу з ізоліній з малими похибками по кутах і висотам [5-7]. Виконано аналіз просторових характеристик великомасштабних нерівностей і узагальнення з результатами досліджень дрібномасштабних нерівностей [5,8,9].

Разом з іншими авторами були отримані просторово - часові залежності сигналу завад від земної поверхні, а також деякі просторові характеристики сигналу [4,10].

Для класифікації образів з великою розмірністю вектора характеристик автором був розроблений новий метод - дерева укрупнення [11], що був використаний для класифікації рослинних покривів земної поверхні відповідно до використовуваної моделі [12]. Розглянута так само можливість застосування цього методу для уточнення моделі за допомогою експериментальних даних.

Розроблено методики одержання карт багатопроменевого ослаблення сигналу та радіоспостереження об'єктів з урахуванням рельєфу земної поверхні і рослинного покриву [13,14].

Усі розроблені методи були реалізовані у виді програмного продукту, які дозволяє будувати поля завад і карти спостереження об'єктів з урахуванням нерівностей земної поверхні і рослинності.

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися на наукових конференціях: 1-й Міжнародний Радіоелектронний Форум “Прикладна радіоелектроніка. Стан і перспективи розвитку” (Харків, жовтень 2002); IEEE Radar Conference “Radar03”, May 2003; Конференція TCSET'2004, (Lviv, February 2004); Radar Symposium IRS 2004 (19-21 May 2004, Warszawa, Poland), URSI (Maastricht, Netherland, August 2002).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 18 наукових працях, у тому числі 7 статтях у наукових журналах, у 7 збірниках наукових конференцій, і 4 наукових звітах.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, чотирьох основних розділів, висновку та списку використаних джерел. Її загальний обсяг складає 166 сторінок. З них: 16 малюнків на 14-ти окремих сторінках, 1 таблиця на 1-еї окремої сторінки,1 додаток на 4-ох окремих сторинках, 121 найменування в списку використаних джерел на 10-ти окремих сторінках.



Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність обраної теми, сформульовані мета і задачі, викладена наукова новизна отриманих результатів і їхнє практичне значення.

У першому розділі проводиться огляд існуючих моделей і описів зворотного розсіяння земною поверхнею. На початку розділу проводиться огляд теоретичних моделей зворотного розсіяння земною поверхнею. Серед теоретичних описів питомої ЕПР земної поверхні розглядаються метод малих збурювань і метод Кірхгофа. У цілому теоретичні моделі дозволяють описати зворотнє розсіяння лише квазигладкими поверхнями і виявляються неспроможними при розгляді шорсткуватих поверхонь і поверхонь з рослинним покривом. Існуючі на сьогоднішній день теоретичні моделі зворотного розсіяння земною поверхнею дозволяють приблизно описати відбитий сигнал тільки у випадку квазигладких поверхонь і не можуть бути застосовані для поверхонь з рослинним покривом, а статистичні описи відбитого сигналу придатні для роботи у вузьких діапазонах робочих частот.

В другій частині розділу розглядаються емпіричні моделі для гомогенної поверхні. Розглядаються моделі для ґрунтів Оh, Дюбуа, моделі для опису відбиттів від сніжних покривів і поверхонь з рослинністю.

Моделі для гомогенної поверхні вимагають знання безлічі параметрів, одержання яких найчастіше неможливе, і також мають обмеження по частоті, що обумовлює неможливість їхнього застосування для одержання поля завад різнорідної поверхні.

Нарешті, у третій частині першого розділу, розглядаються моделі для різнорідних поверхонь, і наявні роботи з побудови полів завад і карт спостереження. Емпірична таблична модель Белингслея містить узагальнені в таблиці дані експериментів за 15 років. Головним недоліком цієї моделі є відсутність будь-яких залежностей, які характеризують взаємозв'язок різних параметрів. Слід зазначити також і відносність величин, приведених у таблицях, тому що вони зв'язані з вибором ділянки місцевості, калібруванням і характеристиками апаратури, погодними умовами.

Експонентна модель, розроблена в ІРЕ НАН України, базується на узагальненні результатів теоретичних і експериментальних досліджень зворотного розсіяння радіохвиль СВЧ діапазону земною поверхнею при досить малих кутах ковзання. Прикладом емпіричного опису питомої ЕПР деяких типів земної поверхні є залежність, отримана для діапазону робочих частот 3...100 ГГц і кутів ковзання 30° і придатна для опису ЕПР різних поверхонь, включаючи квазигладкі, шорсткуваті без рослинності і з рослинністю, а також сніг і антропогенні території.

Обрана модель має вигляд

(1)

де f - робоча частота РЛС у ГГц; - град, A1 - A3 коефіцієнти, обумовлені типом рослинного покриву.

В другому розділі проводиться статистичний аналіз нерівностей земної поверхні. Для мікронерівностей аналізуються отримані раніше експериментальні дані для різних типів поверхні.

Для аналізу великомасштабних нерівностей земної поверхні на ділянках розмірами до 10-20 км і побудови полів завад і карт спостереження об'єктів був розроблений комбінований метод відновлення рельєфу земної поверхні з ізоліній. Ідея даного методу полягає в ітеративній процедурі відновлення крапок “хребтів” рельєфу за допомогою середньозваженого значення двовимірного сплайна в крапці, з наступним згладжуванням отриманого неоднорідного рельєфу за допомогою неоднорідної гаусівскої фільтрації (мал. 1).

Задля одержання статистичних характеристик великомасштабних нерівностей були використані цифрові топографічні карти деяких типових по особливостях рельєфу регіонів України, до числа яких можна віднести Миколаївську, Луганську, Харківську, Хмельницьку й Івано-Франківську області. У цих регіонах обрані по 5 ділянок розміром 3636 км, для яких будувалися рельєфи поверхні з використанням ізоліній, нанесених із кроком по висоті 20 м. На підставі аналізу нерівностей отримані наступні результати.

Для опису просторових спектрів нерівностей поверхні доцільне використання фрактальної моделі поверхні; при цьому показники ступеня в спектрах мікро- і макронерівностей виявляються близькими, що свідчить про загальні закономірності їхнього формування. Використання фрактальної моделі рельєфу разом з реальною дозволяє генерувати нерівності будь-якого масштабу для більш точного визначення статистичних характеристик при моделюванні поширення радіолокаційного сигналу.

Розподіл локальних кутів нахилу поверхні виявляється (з урахуванням погрішності відновлення) близьким до нормального

(2)

де - кут нахилу поверхні; - дисперсія нахилів.

У той же час розподіл висот нерівностей для ділянок поверхні до 100 км2 не може бути задовільно апроксимовано яким-небудь теоретичним законом.

На підставі отриманих результатів запропонована статистична модель відбитого сигналу, що враховує його часові флуктуації. Результуюча щільність розподілу питомої ЕПР земної поверхні може бути представлена у виді



,(3)

де - щільність розподілу середнього значення питомої ЕПР при зміні освітленої ділянки поверхні, тобто при просторовому переміщенні променя РЛС.

З огляду на (1-3) і виконуючи необхідні перетворення, маємо остаточно

, (4)

де

.

Проаналізовано залежності площі затінених ділянок від висоти РЛС і типу земної поверхні.

Третій розділ присвячено проблемам представлення й одержання багатошарових карт для побудови полів завад від земної поверхні і спостереження об'єктів. Для представлення вихідних даних була розроблена універсальна структура шару, яка дозволяє описувати будь-які вихідні дані в растровому виді.

Для одержання карт поверхні, що підстилає, із супутникових мультиспектральних знімків був розроблений новий метод класифікації для образів з великою розмірністю вектора характеристик - метод дерева укрупнення. Основні особливості цього методу класифікації:

велика розмірність вектору характеристик вхідного образу;

автоматичній вибір значущих характеристик;

легко враховувати інваріантність вихідних даних;

здатність до масштабування;

висока ефективність;

зменшення залежності від методик навчання та навчальних виборок.

Подано стислий математичний опис структури дерева укрупнення, засобів його побудови (навчання) й функціонування.

Розглянуто можливість застосування даного методу для побудови моделі завад за наявними експериментальними даними. При наявності експериментальних даних для РЛС із заданими характеристиками це дозволяє значно поліпшити якість поля завад, що моделюється, точно відобразити структуру поля завад від просторово - протяжних об'єктів та відобразити кореляційні залежності для різних типів поверхонь, що підстилають.

Виділено наступні етапи побудови полів завад.

Перший етап є найбільш трудомістким. На цьому етапі готуються вихідні дані, виробляється відновлення рельєфу.

На другому етапі виробляється класифікація рослинного покриву.

На третьому етапі проводиться геометрична корекція і сполучення усіх вихідних даних по шарах, розміщення РЛС на ділянці.

На четвертому етапі виробляється обчислення зон затінення і моделі питомої ЕПР з обліком усіх вихідних даних.

На п'ятому етапі виконується оцінка впливу дзеркального відбиття.

Результати моделювання для ділянки поверхні Харківської області і висоти РЛС 20 м приведені на мал. 2, а, б. Аналіз показав, що розташування РЛС на висоті менш 50 м, приводить до появи великих ділянок затінення. У той же час для цілей, що летять на висотах більш 50 м, висота розташування РЛС практично не має значення. Якість моделювання сильно залежить від якості вихідних даних. Використання для визначення рослинності, що підстилає, супутникових або фото - зображень поверхні дозволяє одержати гарну якість моделі для рельєфу, відновленого по ізолініях (мал. 2, б). Це пов'язано з різним часом зміни рельєфу і рослинності, що підстилає, унаслідок дій людини і дозволяє значно спростити одержання вихідних даних. Порівняльний аналіз моделі без обліку рослинності і моделі з урахуванням рослинних покривів показав значне розходження моделей для гомогенних і реальних поверхонь. При збільшенні висоти РЛС до 200 м (бортова РЛС), ділянки затінення для пагористої місцевості практично зникають, і зростає питома ЕПР земної поверхні.

В четвертому розділі розглянуті питання побудови карт спостереження об'єктів над земною поверхнею з урахуванням багатопроменевого ослаблення сигналу і параметрів РЛС. Розглянуто проблеми побудови карт коефіцієнта багатопроменевого ослаблення сигналу для дискретних вихідних даних. Отримано методику й алгоритми побудови карт коефіцієнта багатопроменевого ослаблення сигналу і карт спостереження об'єктів. Приведено приклади побудови карт спостереження об'єктів для різних діапазонів хвиль і різних типів поверхонь. На мал.3 наведено приклад побудови карти змін коефіцієнту багатопроменевого послаблення сигналу для поверхонь з різною шорсткостью.

По результатах обчислення карт радіо спостереження можлива оптимізація розміщення РТС, характеристик й структури РТС, а також оцінка основних імовірностних параметрів для заданих умов. Побудовані перетини розміру співвідношення сигнал-шум q по променю РЛС для даних параметрів РЛС та цілі. Урахування рослинності приводить до зменшення співвідношення сигнал-шум та збільшенню діапазону змін цього параметру, що наглядно демонструється залежністю, представленою на мал. 4. На ньому зображено співвідношення площі S, на якій q перевищує порогове відношення q0 до загальної площі ділянки S0.

Результати моделювання сигналів міліметрових та сантиметрових хвиль показали необхідність роздільного моделювання значень та для отримання більш точної моделі. Найбільш прийнятною за для практичних цілей э емпірична модель. Аналіз показав не значний вплив багатопромененвого ослаблення на сигнал в цих діапазонах хвиль. Про те ймовірні випадки коли навіть у міліметровому діапазоні хвиль вплив багатопроменевого послаблення буде помітно на локальних частинах траси при малих кутах ковзання.



Висновки

Проведені дослідження показали, що рішення задач моделювання полів завад від земної поверхні вимагає інформації про її характеристики, кути нахилу, умови поширення сигналу. Для практичного моделювання найбільш ефективними є емпіричні залежності, засновані на аналізі експериментальних даних. Отриманий в роботі статистичний опис рельєфів земних поверхонь дозволяє оцінити просторові характеристики сигналу завад для різних типів місцевості. Представлення рельєфу за допомогою фрактальних залежностей дозволяє одержати уточнені статистичні моделі земної поверхні і поля завад.

Уточнена модель поля завад від земної поверхні є результатом побудови кусочно-гладкої асоціативної функції на підставі зіставлення експериментальних зображень полів завад і мультиспектральних зображень цієї ж поверхні. Розробка алгоритмів побудови цієї функції проведена на базі принципів функціонування розробленої автором нейроструктури - дерева укрупнення.

Важливою для практичних цілей є побудова карти спостереження маловисотних об'єктів з обліком поля завад землі й особливостей багатопроменевого поширення сигналу.

У дисертаційній роботі були отримані наступні результати:

Проведено порівняльний аналіз моделей завад від земної поверхні для різних діапазонів хвиль. Визначено найбільш належний метод для моделювання просторової структури поля завад від земної поверхні, і розроблена методика моделювання поля завад для ММХ і СМХ.

Для удосконалювання просторової моделі, було розроблено метод відновлення рельєфу земної поверхні по опорних крапках (ізолініях), що дає прийнятні похибки по висотах і кутах нахилу поверхні.

На основі статистичного аналізу великомасштабних нерівностей і узагальнення результатів досліджень дрібномасштабних нерівностей, проведених раніше, уперше побудована модель рельєфу з використанням фрактальних залежностей і уточнена просторова модель сигналу. Проаналізовано залежності областей затінення і питомої ЕПР від характеристик рельєфу.

Для одержання просторового розподілу рослинного покриву (класифікації по типах відповідно до моделі) з мультиспектральних космічних знімків була розроблена спеціальна нейроструктура - дерево укрупнення, що дозволяє мінімізувати витрати при класифікації.

Розроблено уточнену модель завад від земної поверхні на основі дерева укрупнення, що є асоціативною кусочно-гладкою функцією, побудованою на базі наявних експериментальних даних. Це дозволяє істотно розширити клас розв'язуваних методами моделювання задач.

Розроблено методи і методики побудови карт спостереження об'єктів, розташованих поблизу земної поверхні, з урахуванням багатопроменевого ослаблення сигналу і діаграми спрямованості антеною системи.

Розроблено методику представлення й узагальнення різних даних для моделювання полів завад, полів багатопроменевого ослаблення та карти спостереження об'єктів, розроблені та реалізовані відповідні алгоритми в пакеті програм “RadarMap”.



Список опублікованих робіт з теми дисертації

1. Кулемин Г. П., Горошко Е. А., Тарнавский Е. В. Помехи работе РЛС миллиметрового диапазона, создаваемые отражениями от земной поверхности // Прикладная радиоэлектроника. - 2002. - № 1. - C.15-24.

2. Kulemin G. P., Tarnavsky E. V. Modeling of radar land clutter map for small grazing angles / Proc. XXVII GA URSI (Maastricht, Netherland, Aug. 2002).

3. Кулемин Г. П., Горошко Е. А., Тарнавский Е. В. Помехи работе РЛС миллиметрового диапазона, создаваемые отражениями от земной поверхности / 1-й Межд. радиоэлектр. форум “Прикладная радиоэлектроника”. Состояние и перспективы развития”: Тез. докл. - Харьков. - 2002. - C.45-48.

4. Kulemin G. P., Tarnavsky E. V.. Modeling of radar land clutter map for small grazing angles / Proc. SPIE, (2004, April 12-15). - 2004. - V. 5484. - P.702-706.

5. Kulemin G. P., Tarnavsky E. V. Spatial characteristics of soil // Telecommunication and Radio Engineering. - 2003. - V. 59, № 3-4. - P.141-150.

6. Kulemin G. P., Tarnavsky E. V. Land clutter map development for millimeter-wave radar / IEEE Radar Conference “Radar03”( May 2003). - Proc. 2003 IEEE. - P.399-404.

7. Kulemin G. P., Goroshko E. A., Tarnavsky E. V. Land Backscattering Model for Millimeter Wave Radar / Конференция TCSET'2004, (Lviv, February 2004). - Proceedings. - P.138-141.

8. Кулемин Г. П., Тарнавский Е. В. Пространственные статистические характеристики почвы // Радиофизика и электроника. - 2003. - Т. 8, № 1. - С.42-47.

9. Kulemin G. P., Tarnavsky E. V. Spatial statistical characteristics of land and development of radar clutter maps / Proc. SPIE, (2004, April 12-15). - 2004. - V. 5410A. - P.162-173.

10. Кулемин Г. П., Горошко Е. А., Тарнавский Е. В. Пространственно-временные характеристики обратного рассеяния от земной поверхности // Успехи современной радиоэлектроники. - 2004. - № 12. - С.60-71.

11. Тарнавський Е. В. Метод дерева укрупнения для распознавания образов// Авиационно-космическая техника и технология. - 1998. - № 7. - C.118-121.

12. Кулемин Г. П., Тарнавский Е. В. Моделирование карты помех от земной поверхности для РЛС ММД при малых углах скольжения // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - № 1. - 2004. - C.5-12.

13. Кулемин Г. П., Тарнавский Е. В. Учет многолучевого распространения миллиметровых радиоволн при построении карт наблюдаемости объектов над земной поверхностью // Радиофизика и электроника. - 2003. - Т. 8, № 3. - С.346-353.

14. Kulemin G. P., Tarnavsky E. V. The radiowave visibility map model development / Int. Radar Symposium IRS 2004 (19-21 May 2004, Warszava, Poland). - Proceedings. - P.281-287.



Анотації

Тарнавський Є. В. Поля завад та спостереження об'єктів над земною поверхнею в радіотехнічних системах сантиметрових і міліметрових хвиль. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.12.17 - радіотехнічні і телевізійні системи. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "ХАІ", Харків, 2005.

У дисертації запропоновані методи побудови полів завад від земної поверхні для радіотехнічних систем сантиметрового і міліметрового діапазонів з урахуванням рельєфу місцевості, наявності і типу рослинності.

З урахуванням особливостей моделі в дисертації розроблений і реалізований новий метод відновлення рельєфу земної поверхні по ізолініях з використанням сплайн-функцій і усунення неоднорідностей за допомогою нелінійної гаусівської фільтрації.

Уперше проведений статистичний аналіз великомасштабних нерівностей для ділянок порядку 10-20 км, і відповідно до проведеного статистичного аналізу нерівностей земної поверхні, запропоновано просторову модель сигналу.

Розроблено та реалізовано методи побудови карт багатопроменевого ослаблення сигналу та спостереження об'єктів для РТС із заданими характеристиками з урахуванням нерівності земної поверхні і рослинності.

Ключові слова: зворотне розсіяння, питома ЕПР, закон розподілу, фрактальний опис, поле завад, багатопроменеве ослаблення, спостереження об'єкта.

рельєф великомасштабний карта поверхня



Тарнавский Е. В. Поля помех и наблюдаемости объектов над земной поверхностью в радиотехнических системах сантиметровых и миллиметровых волн. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.17 - радиотехнические и телевизионные системы. - Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского “ХАИ”, Харьков, 2003.

В диссертации предложены методы построения поля помех от земной поверхности для радиотехнических систем сантиметрового и миллиметрового диапазонов с учетом рельефа местности, наличия и типа растительности, в основу которых положена ранее разработанная в ИРЭ НАН Украины модель обратного рассеяния.

С учетом особенностей модели в диссертации разработан и реализован новый метод восстановления рельефа земной поверхности по изолиниям с использованием сплайн-функций и устранения неоднородностей с помощью нелинейной гауссовой фильтрации. Данный метод позволяет уменьшить погрешности локальных углов наклона восстановленной поверхности, что позволяет уменьшить погрешности при построении поля помех. Приведены примеры построения полей помех для различных типов рельефа и растительных покровов.

Впервые проведен статистический анализ крупномасштабных неровностей для участков порядка 10-20 км, разработана фрактальная модель рельефа и определены ее параметры, и в соответствии с проведенным статистическим анализом неровностей земной поверхности предложена пространственная модель сигнала. Данная пространственная модель позволяет обобщить как флуктуации сигнала внутри ячейки разрешения так и изменения, связанные с пространственным перемещением луча РЛС. Проанализированы зависимости функции затенения от высоты РТС и угла скольжения луча для различных типов рельефа местности.

Разработан и применен новый метод классификации образов с большой размерностью вектора характеристик. Этот метод позволяет автоматически выявлять значащие характеристики классифицируемых образовов, имеет четкое топологическое описание и обладает быстрой сходимостью. Также предложено использование метода дерева укрупнения для классификации подстилающей поверхности из аэро- и фото снимков для построения поля помех, с целью уменьшения трудозатрат. Предложена новая модель описания помехи с использованием метода дерева укрупнения. Данная модель позволяет учесть данные экспериментов при построении карты помех.

Разработаны и реализованы методы построения карт многолучевого ослабления сигнала и наблюдаемости объектов для РТС с заданными характеристиками с учетом неровности земной поверхности и растительности. Проведены примеры построения карт наблюдаемости и многолучевого ослабления сигнала.

Практическое использование карт помех и наблюдаемости объектов обеспечивает повышение эффективности радиотехнических систем различного назначения, а также повысить эффективность их использования в условиях реальной местности.

Ключевые слова: обратное рассеяние, удельная ЭПР, закон распределения, фрактальное описание, поле помех, многолучевое ослабление, наблюдаемость объекта.



Tarnavsky E. V. Clutter fields and object visibility maps above terrain in radio engineering systems of centimeter and millimeter waves. - Manuscript.

Dissertation for the scientific degree of the candidate of technical sciences on the speciality 05.12.17 - radio engineering and television systems. - N. E. Zhukovski National aerospace university "KAI", Kharkov, 2005.

The technique of radar clutter map elaboration for land backscattering at the frequency band of 3-100 GHz for small grazing angles is proposed taking into consideration the terrain relief and vegetation. The vegetation model is earlier developed in the Institute for Radiophysics and Electronics of Ukraine.

In this dissertation for the first time, statistical characteristics for different terrain types are presented for site above 10-20 km2 and fractal model of relief are developed. The new spatial model of normalized RCS is offered taking into consideration these statistical characteristics. The new method of classification is developed and applied. New model of the clutter description is offered using this method.

Methods of multipath propagation influence estimation are developed and realized for construction of visibility maps for radio systems taking into account terrain roughness and vegetation.

Practical application of clutter map and the maps of object visibility provides the increase of development efficiency for radio engineering systems and also increase of efficiency for their using in conditions of real terrain.

Key words: radar cross section, multipath propagation, visibility map, backscattering, statistical characteristics, clutter map.

Размещено на Allbest.ru

...