Зворотне розсіювання радіохвиль короткохвильової частини міліметрового діапазону морською поверхнею при обрушенні морських хвиль

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ РАДІОФІЗИКИ ТА ЕЛЕКТРОНІКИ ІМЕНІ О.Я. УСИКОВА

УДК 621.371.029.65

ЗВОРОТНЕ РОЗСІЮВАННЯ РАДІОХВИЛЬ КОРОТКОХВИЛЬОВОЇ ЧАСТИНИ МІЛІМЕТРОВОГО ДІАПАЗОНУ МОРСЬКОЮ ПОВЕРХНЕЮ ПРИ ОБРУШЕННІ МОРСЬКИХ ХВИЛЬ

01.04.03 - радіофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Гутнік Віктор Григорович

Харків 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Радіоастрономічному інституті Національної академії наук України.

НАУКОВИЙ КЕРІВНИК:

доктор технічних наук, професор Кулємін Геннадій Петрович, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України, м. Харків, головний науковий співробітник

ОФІЦІЙНІ ОПОНЕНТИ:

доктор фізико-математичних наук, вченого звання не має, Іванов Віктор Кузьмич, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України, м. Харків, завідувач відділу;

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Єфімов Валентин Борисович, Центр радіофізичного зондування Землі ім. А.І. Калмикова Національної академії наук і Національного космічного агентства України, м. Харків, завідувач відділу.

ПРОВІДНА УСТАНОВА:

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

Захист відбудеться 05.04.2001р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64. 157. 01 в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України за адресою: 61085, Харків 85, вул. Проскури, 12.

Автореферат розісланий 02.03.2001р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Кириченко О.Я.

розсіювання зворотний короткохвильовий радіолокаційний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дисертаційна робота є результатом експериментальних і теоретичних досліджень зворотного розсіювання радіохвиль короткохвильової частини міліметрового діапазону морською поверхнею.

Актуальність теми. Використання радіохвиль короткохвильової частини міліметрового діапазону (КХЧ ММД) при радіолокаційному зондуванні дозволяє підвищити точність вимірювання координат об'єктів спостереження, поліпшити завадозахищеність радіотехнічних систем, простіше забезпечити їх електромагнітну сумісність, ефективніше вирішувати задачі розпізнавання об'єктів. Крім того, особливості взаємодії радіохвиль КХЧ ММД з атмосферою й атмосферними утвореннями дозволяють використовувати сигнали цього діапазону для дистанційного зондування атмосфери, для визначення параметрів метеоутворень. Завдяки високій чутливості до дрібномасштабних утворень на поверхні суші і води сигнали КХЧ ММД можна використовувати також для дистанційного зондування поверхні з метою одержання її характеристик.

Радіолокаційні відбиття від морської поверхні вивчені досить добре в сантиметровому і довгохвильовій частині міліметрового діапазонів. Отримано значний обсяг експериментальних результатів, створені теоретичні моделі формування відбитого морською поверхнею сигналу, що дозволяють одержувати його характеристики. Однак на цей час практично відсутні дані по зворотному розсіюванню морською поверхнею радіохвиль короткохвильової частини міліметрового діапазону.

Актуальність досліджень, проведених у дисертаційній роботі, визначається необхідністю подальшого розвитку фізичних уявлень про зворотне розсіювання радіохвиль короткохвильової частини міліметрового діапазону морською поверхнею, вивчення впливу його особливостей на характеристики нових корабельних та берегових радіолокаційних систем, призначених для моніторингу, забезпечення безпеки навігації та для розв'язання інших практичних задач.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Результати досліджень, які представлені в дисертації, отримані в рамках НДР, проведених у Радіоастрономічному інституті НАН України: "Теоретичні й експериментальні дослідження, що спрямовані на підвищення чутливості радіотелескопів міліметрового діапазону", шифр "Бета" (1986р-1990р), номер держреєстрації 01.86.095.209., "Теоретичні й експериментальні дослідження радіовипромінювання Землі і планет Сонячної системи. Розробка і створення унікальних радіовимірювальних комплексів", шифр "Відродження" (1996р-2000р), номер держреєстрації 01. 003.858., а також НДР, що проведена в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, "Дослідження приповерхневого шару тропосфери радіофізичними методами контактного і дистанційного зондування", шифр "Прогноз" (1989р-1992р), номер держреєстрації 1.4.11.321.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є експериментальне і теоретичне вивчення особливостей зворотного розсіювання морською поверхнею радіохвиль короткохвильової частини міліметрового діапазону, вплив цих особливостей на енергетичні, статистичні, спектральні і часові характеристики зворотного розсіювання, а також уточнення фізичної моделі розсіювання морською поверхнею радіохвиль міліметрового діапазону і проведення на її основі порівняльного аналізу характеристик корабельних та берегових РЛС для розробки рекомендацій по їх ефективному застосуванню.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати наступні задачі:

- на підставі існуючих даних розробити методику вимірювань і визначити вимоги до комплексу вимірювальної апаратури, призначеної для вивчення особливостей зворотного розсіювання морською поверхнею радіохвиль КХЧ ММД,

- розробити і створити комплекс вимірювальної апаратури КХЧ ММД;

- провести експериментальні і теоретичні дослідження зворотного розсіювання морською поверхнею радіохвиль КХЧ ММД для одержання енергетичних, статистичних, спектральних і часових характеристик відбитих сигналів,

- провести порівняльний аналіз характеристик сигналів, розсіяних морською поверхнею в КХЧ ММД, з аналогічними характеристиками, які отримані в більш довгохвильових діапазонах, для пояснення механізму зворотного розсіювання й уточнення моделі формування відбитого морською поверхнею сигналу в міліметровому діапазоні радіохвиль;

- на основі уточненої моделі відбитого морською поверхнею сигналу одержати порівняльні оцінки характеристик корабельних та берегових РЛС міліметрового, включаючи його короткохвильову частину, діапазону для розробки рекомендацій по їх ефективному застосуванню.

Об'єктом дослідження є процес розсіювання радіохвиль морською поверхнею, різноманітність станів якої істотно впливає на характеристики розсіяних нею сигналів.

Предметом дослідження є зворотне розсіювання морською поверхнею радіохвиль короткохвильової частини міліметрового діапазону і його енергетичні, статистичні, часові і спектральні характеристики.

Методи дослідження. Енергетичні, статистичні, часові і спектральні характеристики зворотного розсіювання морською поверхнею радіохвиль КХЧ ММД, що приведені в дисертаційній роботі, отримані експериментальним і теоретичним шляхами з використанням сучасних методів теорії поширення та розсіювання радіохвиль, методів статистичної радіофізики і спектрального аналізу. Оцінки характеристик РЛС міліметрового діапазону отримано розрахунковими методами.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна результатів дисертаційної роботи полягає у наступному:

· вперше показано, що у короткохвильовій частині міліметрового діапазону радіохвиль змінюється співвідношення між тривалостями фаз сплесків та пауз порівняно з більш довгохвильовими діапазонами, при цьому наявність цих фаз, виявлених раніше у сантиметровому та міліметровому діапазонах, зберігається;

· вперше отримано доплерівські спектри сигналів у короткохвильовій частині міліметрового діапазону радіохвиль, проаналізовано їх властивості, зокрема, визначено вплив на них обрушення морських хвиль;

· вперше доведено, що у короткохвильовій частині міліметрового діапазону радіохвиль значний внесок у відбитий сигнал вносить розсіяння на крапельно-бризковій фракції, яка супроводжує обрушення морських хвиль; з урахуванням цього явища уточнена розрахункова модель відбиття від морської поверхні;

· показано переваги застосування радіохвиль короткохвильової частини міліметрового діапазону для визначення кутових координат об'єктів над поверхнею моря.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані в дисертаційній роботі нові результати по зворотному розсіюванню радіохвиль короткохвильової частини міліметрового діапазону і зроблені на їхній основі висновки про суттєвий внесок крапельно-бризкової фракції у формування відбитого сигналу у міліметровому діапазоні дозволили зробити оцінки характеристик корабельних та берегових РЛС міліметрового діапазону та розробити рекомендації по їх ефективному застосуванню. Ці рекомендації можуть бути використані при розробці радіолокаційних систем різного призначення для оцінки завадозахищеності, ефективності систем селекції рухомих цілей (СРЦ) і точносних характеристик. Результати дисертаційної роботи також можна використовувати в науково-дослідних установах і організаціях, що працюють в галузях радіофізики, океанографії, досліджень природного середовища при розв'язанні як науково-дослідних, так і прикладних задач.

Особистий внесок здобувача. Здобувач у колективі виконавців брав участь у створенні комплексів вимірювальної апаратури, у розробці методик і проведенні натурних досліджень, результати яких наведені у роботах [2-4,8-15]. У роботах [13,14,15] здобувачем запропоновано використання частотно-часового представлення нестаціонарних радіолокаційних сигналів для отримання необхідних характеристик і наведені ці характеристики. У роботах [1,2,8,9] наведені енергетичні, часові та статистичні характеристики сигналів короткохвильової частини міліметрового діапазону, розсіяних морською поверхнею при обрушенні морських хвиль, які отримано автором із експериментальних даних та шляхом розрахунків. За результатами натурних вимірів здобувачем отримані спектральні характеристики відбитих від моря сигналів, показана їх часова і просторова нестаціонарність в умовах обрушення морських хвиль [2,3,4,8,10,12]. Здобувачем виявлений істотний внесок у відбитий сигнал короткохвильової частини міліметрового діапазону крапельно-бризкової фракції при обрушенні морських хвиль [2,3] і його вплив на характеристики відбитого сигналу [1,6], що дозволило отримати розрахункові радіолокаційні характеристики морської поверхні у міліметровому діапазоні радіохвиль, наведені у роботах [1,5]. У роботах [5,6,7,11] автором отримані оцінки характеристик РЛС міліметрового діапазону, що працюють в умовах завад від морських хвиль.

Апробація результатів дисертації. Основні результати, приведені в дисертаційній роботі, були представлені на Всесоюзних конференціях по поширенню радіохвиль (Томськ, 1978р.; Харків, 1990р.), на міжнародних конференціях по поширенню радіохвиль у Туреччині,1995р., у Харкові, 1998р., на Всесоюзній школі по поширенню міліметрових і субміліметрових хвиль в атмосфері (Харків, 1989р.), на міжвідомчій науково-технічній конференції "Приборы, техника и рапростр. мм, сбмм волн" (Харків, 1992р.).

Публікації. Основні матеріали дисертаційної роботи опубліковані в 5 статтях у наукових журналах і збірниках, у 8 збірниках праць наукових конференцій, у 2-х авторських свідоцтвах на винаходи.

Структура дисертації. Дисертація складається з вступу, трьох розділів, висновків і містить 100 сторінок основного тексту, 48 рисунків на 34 сторінках, список використаних джерел з 65 найменувань на 7 сторінках. Загальний обсяг дисертаційної роботи 144 сторінки.

Дисертація написана російською мовою.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дано загальну характеристику дисертації, обґрунтовано актуальність досліджень особливостей розсіяння радіохвиль короткохвильової частини міліметрового діапазону морською поверхнею, показано зв'язок роботи з науковими програмами, темами. Сформульовані мета і задачі роботи, наукова новизна отриманих результатів, їх практична значимість. Визначено особистий внесок здобувача, наведені відомості про апробацію та публікації результатів дисертаційної роботи. Схематично викладено зміст дисертації.

У першому розділі за матеріалами літературних джерел розглянуті основні особливості зворотного розсіювання радіохвиль морською поверхнею. Проаналізовано дві теоретичні моделі, що описують формування розсіяного морською поверхнею НВЧ сигналу: фацетна і двомасштабна, і характеристики розсіяного сигналу, які одержують в рамках цих моделей. Проаналізовано переваги і недоліки розглянутих моделей. Зокрема показано, що ці моделі не пояснюють сплески інтенсивності відбитих морською поверхнею сигналів.

Проведено аналіз результатів експериментальних досліджень розсіяного морською поверхнею сигналу в міліметровому діапазоні радіохвиль.

Розглянуто основні характеристики: питома ЕПР морської поверхні, статистичні і спектральні характеристики відбитого сигналу, їх залежності від швидкості вітру, робочої довжини хвилі РЛС. Акцентується увага на появі аномалій у характеристиках відбитого сигналу в умовах обрушення морських хвиль.

З урахуванням особливостей РЛС КХЧ ММД (невеликі дальності, вузькі діаграми спрямованості, короткі тривалості зондувальних імпульсів і, як наслідок цього, невеликі розміри поверхні моря, що опромінюється), а також стану морської поверхні сформульовані вимоги до вимірювальної апаратури та до методів проведення експериментальних досліджень.

В другому розділі описані методика проведення експериментальних досліджень і комплекс вимірювальної апаратури КХЧ ММД. Приведено оцінки похибок виміру основних параметрів відбитого сигналу.

Для проведення досліджень був створений вимірювальний комплекс, що представляє собою макет доплерівської РЛС безупинного випромінювання з робочою частотою f=140 ГГц і випромінюваною потужністю порядку 600-1000 мВт.

Виміри проводилися на березі моря, у прибережній зоні. Глибина моря в районі вимірів була порядку двох метрів. Антени вимірювальної установки були нахилені вниз відносно обрію на кут Y=0.07 рад. Це відповідало тому, що на морській поверхні опромінювалася пляма розміром порядку 40ґ10 м2. Центр плями знаходився на відстані близько 50 метрів від вимірювальної установки.

Виміри проводилися при хвилюванні моря до 2-3 балів, поривчастому вітрі, швидкість якого сягала 5 м/с.

У процесі досліджень антени вимірювальної установки, в основному, були орієнтовані перпендикулярно гребеням хвиль, що набігають. Спостерігалися і реєструвалися також хвилі, що розбиваються об камінь, що знаходився в морі, поблизу від берега, на відстані близько 50 метрів від вимірювального комплексу.

При дослідженнях проводилися також калібрування вимірювального комплексу за допомогою еталонних відбивачів. Максимальна сумарна погрішність оцінок ЕПР морської поверхні для умов експерименту не перевищувала величину 8 дБ.

Основну увагу в другому розділі приділено опису експериментальних характеристик відбитого сигналу: спектральної щільності, часових характеристик, ЕПР морської поверхні.

Спектральні характеристики. Проаналізовано часову мінливість спектральних характеристик, яка обумовлена часовою і просторовою нестаціонарністю досліджуваного процесу. Для кількісних оцінок мінливості спектральних щільностей були використані такі її параметри: повна енергія сигналу, центральна доплерівська частота і гранична частота.

З експериментальних даних, що відповідають хвилюванню моря порядку двох балів, поривчастому вітрові, швидкість якого сягала 5 м/с, для різних часів аналізу було отримано оцінки статистичних характеристик параметрів доплерівських спектрів: середніх значень, дисперсій, коефіцієнтів кореляції, щільностей ймовірності. Середні значення параметрів для часів аналізу 5; 10; 20; 40 с практично не змінюються. Зі збільшенням часу аналізу зменшується дисперсія параметрів. Найбільший статистичний зв'язок (коефіцієнт кореляції порядку 0.8) існує між центральною і граничною частотами для різних часів аналізу. Це свідчить про те, що зі збільшенням центральної частоти спектр відбитого сигналу розширюється. Зі збільшенням часу аналізу збільшується статистичний зв'язок між центральною частотою, граничною частотою й енергією доплерівського сигналу. Отримані також закони розподілу параметрів спектральних щільностей для різних часів аналізу.

Одержано спектральні щільності сигналів, розсіяних крапельно-бризковою фракцією, що утворюється в результаті розбивання морських хвиль об камінь. Порівняльний аналіз характеристик спектральних щільностей сигналів, розсіяних ділянкою морської поверхні і крапельно-бризковими утвореннями, дозволяє зробити висновок про їхній якісний збіг. Це свідчить про те, що у формуванні розсіяного морською поверхнею сигналу в КХЧ ММД бере участь, в основному, крапельно-бризкова фракція, обумовлена обрушенням морських хвиль, яка і є причиною характерних сплесків інтенсивності відбитого сигналу.

Часові характеристики. Відбитий ділянкою схвильованої морської поверхні сигнал має імпульсний характер зі сплесками інтенсивності, з широким спектром доплерівських частот, а також паузами, що характеризуються меншою інтенсивністю. Це обумовлено обрушенням гравітаційних морських хвиль.

Гравітаційна хвиля стійка доти, доки її амплітуда aЈ0.07L, чи кут при її вершині і120° (L- просторова довжина морської хвилі). Для стійких гравітаційних хвиль дотримується рівність кінетичної і потенційної енергій

Wк=Wп,

і обидві вони пропорційні квадрату висоти морської хвилі. При перевищенні амплітудою хвилі величини акр”0.07L кінетична енергія стає більше потенційної і відбувається обрушення гребеня морської хвилі. Знаючи закони розподілу амплітуд морських хвиль а і їхніх довжин L, отримано закон розподілу величини

DW=Wк-Wп,

що визначає інтенсивність обрушення.

З експериментальних даних отримано оцінки тривалостей сплесків і пауз, а також середнє число пауз в одиницю часу. По отриманим даним побудовано гістограми розподілу тривалостей сплесків і пауз. Середні значення величин відповідно мали значення tс”1.2 с і tп”0.14 с. Середня кількість пауз в одиницю часу для умов експерименту склало величину n=22 хв-1.

Важливо відзначити, що спостерігається задовільний збіг в області найбільш ймовірних значень закону розподілу тривалостей сплесків з теоретично отриманим законом розподілу величини DW.

Проведений теоретичний аналіз часових характеристик показав їх якісний збіг з результатами експерименту, які, в свою чергу, не суперечать даним інших авторів, отриманим для більш довгохвильових діапазонів, але при цьому спостерігається суттєва різниця - тривалості сплесків перевищують тривалості пауз.

Ефективна поверхня розсіювання. Відбивну здатність (ЕПР) ділянки морської поверхні при наявності обрушень гребенів морських хвиль, можна представити у вигляді суми двох складових частин:

S = sм+sбр

Де sм - це ЕПР ділянки морської поверхні при відсутності обрушень морських хвиль. Для цього випадку відбивну здатність поверхні можна характеризувати питомою ЕПР -s0, розмір якої порівняно невеликий.

Друга складова частина sбр - це ЕПР крапельно-бризкової фракції, обумовленої обрушенням морських хвиль і приводним вітром. Характеризувати відбивну здатність поверхні питомою ЕПР у цьому випадку недоцільно з наступних причин:

інтенсивно відбивають локальні, невеликі за розмірами, області обрушення гребенів морських хвиль;

відбитий сигнал формується, в основному, не ділянкою поверхні, а деяким об'ємом, у якому існує крапельно-бризкова фракція і розміри якого визначаються енергією морської хвилі перед обрушенням, швидкістю вітру, робочою частотою РЛС;

кількість обрушень за час спостереження в елементі розподілу РЛС невідома.

Для експериментальних результатів отримано закони розподілу ЕПР ділянки морської поверхні розміром 40ґ10 м2, роздільно для фази пауз і фази сплесків. Середнє значення ЕПР для фази пауз склало величину s”0.7 м2, що відповідає питомій ЕПР s°”-27 дБ. Ця величина задовільно збігається з даними, отриманими при екстраполяції значень s° для більш довгохвильових діапазонів.

Середні значення ЕПР для фази сплесків склали величину s”20 м2. Закон розподілу ЕПР у цьому випадку якісно збігається з законом розподілу величини DW. Це підтверджує припущення про те, що інтенсивність відбитого сигналу пропорційна різниці кінетичної і потенційної енергій морської хвилі, що обрушується.

Для визначення величини sбр зроблено оцінки розмірів часток крапельно-бризкової фракції, що дають найбільший внесок у відбитий сигнал у двоміліметровому діапазоні. Для цього використовувалася диференційна питома відносна ЕПР крапельно-бризкової фракції, що характеризує внесок часток визначених розмірів у відбитий сигнал при різних водностях крапельно-бризкової фракції.

Розрахунковим шляхом отримано оцінки питомих об'ємних ЕПР краплинних утворень для різних водностей.

З аналізу розрахункових даних і експериментальних значень ЕПР крапельно-бризкових утворень можна зробити наступні висновки:

1. Для водностей, характерних для хвиль, що обрушуються, (10-2000г/м3 ), у двоміліметровому діапазоні основний внесок у відбитий сигнал дають частки, розміри яких лежать у діапазоні від 0,3 до 2 мм.

2. Питома об'ємна ЕПР крапельно-бризкової фракції складає величину від одиниць до декількох десятків м2/м3.

Крім того одержано вирази для законів розподілу ЕПР крапельно-бризкової фракції по швидкостях і для доплерівськіх спектрів відбитих сигналів. З цих виражень випливає, що спектральні щільності сигналів відбитих від морських хвиль при їх обрушенні повинні зменшуватись зі збільшенням доплерівської частоти за законом 1/Fn, де n=2 - 3,3.

Експериментально одержані спектри також задовільно апроксимуються залежністю 1/Fn з показником ступеня від 1,6 до 3,7.

У третьому розділі розглядається вплив крапельно-бризкової фракції на характеристики розсіяного сигналу при обрушенні морських хвиль у діапазоні довжин радіохвиль від 2 до 30 мм і проводиться порівняльна оцінка характеристик РЛС у цьому діапазоні радіохвиль.

На підставі закономірностей формування сигналу, відбитого від крапельно-бризкової фракції, які одержані у другому розділі, пропонується уточнена модель формування відбитого сигналу у міліметровому діапазоні. На підставі моделі розрахунковим шляхом отримані оцінки питомої ЕПР морської поверхні, спектральні характеристики і їх параметри у діапазоні робочих довжин хвиль РЛС від 2 до 30 мм. З використанням розрахункових характеристик відбитого сигналу, були отримані оцінки характеристик РЛС, які працюють у діапазоні довжин хвиль від 2 до 30 мм. Порівняльний аналіз характеристик РЛС показав, що для розв'язання задач радіолокаційного виявлення краще використовувати довгохвильову частину міліметрового або короткохвильову частину сантиметрового діапазонів, а короткохвильову частину міліметрового діапазону доцільно застосовувати для визначення координат, особливо кутових, у системах ближньої радіолокації при високому розділенні по всіх координатах.

ВИСНОВКИ

Основні результати експериментальних і теоретичних досліджень зворотного розсіювання морською поверхнею радіохвиль короткохвильової частини міліметрового діапазону полягають у наступному:

1. Аналіз існуючих теоретичних і експериментальних досліджень по зворотному розсіюванню морською поверхнею радіохвиль міліметрового діапазону показав практичну відсутність даних для короткохвильової частини міліметрового діапазону, особливо при обрушенні морських хвиль.

2. Створено комплекс вимірювальної апаратури для проведення експериментальних досліджень і розроблено методику одержання характеристик зворотного розсіювання морською поверхнею в короткохвильовій частині міліметрового діапазону.

3. Встановлено, що і для короткохвильової частини міліметрового діапазону сигнал, відбитий морською поверхнею в умовах обрушення морських хвиль, являє собою випадковий процес з яскраво вираженими фазами сплесків і пауз. Процес має часову і просторову нестаціонарність, його характеристики визначаються швидкістю вітру, станом морської поверхні, часом спостереження, розмірами елемента розділення РЛС на поверхні.

4. Встановлено для короткохвильової частини міліметрового діапазону, що поява сплесків інтенсивності у відбитих морською поверхнею сигналах при наявності обрушень морських хвиль, обумовлена в основному внеском відбиття від крапельно-бризкової фракції, яка генерується морськими хвилями, що обрушуються, з характерними розмірами часток від 0,3 до 2 мм.

5. Вперше отримано доплерівські спектри сигналів короткохвильової частини міліметрового діапазону, відбитих морською поверхнею в умовах обрушення морських хвиль. Показано часову мінливість їх параметрів: інтенсивності, центральної частоти, граничної частоти, що є випадковими величинами, середні значення яких визначаються станом морської поверхні, а дисперсії залежать від часу спостереження і від розмірів ділянки морської поверхні, що опромінюється.

6. Одержано теоретичні й експериментальні оцінки часових характеристик сигналу короткохвильової частини міліметрового діапазону, відбитого морської поверхнею в умовах обрушення морських хвиль, показано їх якісний збіг з даними для більш довгохвильових діапазонів. При цьому спостерігається суттєва різниця - тривалості сплесків перевищують тривалості пауз.

7. Показано, що ЕПР морської поверхні при обрушенні морських хвиль у фазі сплеску в міліметровому діапазоні визначається співвідношенням розмірів часток крапельно-бризкової фракції і робочої довжини хвилі РЛС, ЕПР збільшується з укороченням останньої, та може сягати значень у кілька десятків квадратних метрів у двоміліметровому діапазоні.

8. Запропоновано уточнену модель відбитого від морської поверхні сигналу, яка дозволяє одержувати оцінки його характеристик у міліметровому діапазоні радіохвиль при обрушенні морських хвиль з урахуванням співвідношення розмірів часток крапельно-бризкової фракції і робочої довжини хвилі РЛС.

9. Показано шляхом порівняльного аналізу характеристик РЛС міліметрового діапазону, отриманих на основі уточненої моделі відбитого від морської поверхні сигналу, що для розв'язання задач радіолокаційного виявлення слід переважно використовувати довгохвильову частину міліметрового або короткохвильову частину сантиметрового діапазонів, а для визначення координат цілей, особливо кутових, доцільно використовувати РЛС короткохвильової частини міліметрового діапазону з високою роздільною здатністю по всіх координатах для вирішення задач ближньої радіолокації.

ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

1. Гутник В.Г., Кулемин Г.П., Шарапов Л.И. Статистика всплесков рассеянных морем сигналов в сантиметровом и миллиметровом диапазонах радиоволн. // Радиофизика и радиоастрономия. -1999.-Т.4, N2.- с. 101-110.

2. Гутник В.Г., Горобец В.Н., Гонтарь И.Д., Майков Г.Г., Кивва Ф.В. Особенности обратного рассеяния сигналов 2-х мм диапазона морской поверхностью.// Научное приборостроение в миллиметровых и субмиллиметровых диапазонах радиоволн.-Сб. науч. трудов.-Харьков: ИРЭ АН УССР.-1992.-с.115-121.

3. Гутник В.Г., Майков Г.Г., Кивва Ф.В., Горобец В.Н., КортуновВ.А. Особенности доплеровских спектров СВЧ сигналов, рассеяных надводными объектами и волнообразованиями от них.// Распространение радиоволн в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах.-Сб. научных трудов.- Харьков: ИРЭ АН УССР.- 1995.-с.31-43с.

4. Gutnik V.G., Gorbach N.V., Sharapov L.I. Doppler spectrum characteristics of radar signals reflected from sea surface and vegetation.//Turkish Journal of Physics.-1995.-vol.19.- P.943-945.

5. Гутник В.Г., Горбач Н.В., Шарапов Л.И., Удовенко А.П. Исследование возможности создания когерентно-импульсной РЛС 2 мм диапазона радиоволн. // Сб. научных трудов Харьковского Военного университета.-2000.- вып. 2 (28).- стр.66-71.

6. Способ определения скорости объекта: Авторское свидетельство СССР N 1279380./ Гутник В.Г., Майков Г.Г., Кивва Ф.В., Головко М.И., Горобец В.Н., Карелов Ю.И.- Заявл. 12.06.85; Опубл. 22. 08. 86, Бюл. N12.-3с.

7. Пеленгатор угла места: Авторское свидетельство СССР. N1591663. / Гутник В.Г., Луценко В.И., Разсказовский В.Б.- Заявл. 18. 04. 88;. Опубл. 08. 05.90, Бюл. N8. -5с.

8. Gorbaсh N.V., Gutnik V.G., Sharapov L.I. Some peculiarities of vegetation doppler spectrs and estimution of their influence of the selection performans of the 2mm waveltngth radar.// Proceedings of Third International Symposium "Physics and engineering of millimeter and submillimeter waves" Kharkov.- 1998.- P. 476-477.

9. Гутник В.Г., Горобец В.Н., Майков Г.Г., Гонтарь И.Д., Кивва Ф.В. Об особенностях радиолокационных отражений сигналов 2-х мм диапазона взволнованной поверхностью моря. // Труды Межведомств. научно-техн. конф. "Приборы, техника и распростр. мм, сбм волн".-Харьков.-1992.-с.155.

10. Гутник В.Г., Гонтарь И.Д., Кивва Ф.В., Горобец В.Н., Майков Г.Г О доплеровских спектрах сигналов 2-х мм диапазона при рассеянии на каплях и брызгах в разных условиях их генерации.// Труды Межведомств. научно-техн. конф. "Приборы, техника и распростр. мм, сбм волн".-Харьков.-1992.-с.156.

11. Кулемин Г.П., Гутник В.Г., Разсказовский В.Б.,Педенко Ю.А., Мирошниченко Е.И. Горбач Н.В. Вариации углов прихода радиоволн при распространении над морем.// Труды XXII Всесоюзн. конф. по распростр. радиоволн.- Ч 2.- М.: Наука.- 1978.-с.218-221.

12. Гутник В.Г., Горобец В.Н., Майков Г.Г., Кивва Ф.В. Рассеяние СВЧ радиоволн гидродинамическими образованиями типа "фростовская волна".// III-я Всесоюзная школа по распростр. мм и субмм волн в атмосфере.-Харьков.- 1989г.-с.184.

13. Гутник В.Г., Горбач Н.В.,Шарапов Л.И.,Майков Г.Г., Горобец В.Н.,Новиков С.С. Некоторые характеристики доплеровских спектров КВЧ ММД, рассеяных лиственными деревьями. // III-я Всесоюзная школа по распростр. мм и субмм волн в атмосфере.-Харьков.- 1989г.-с.186.

14. Гутник В.Г., Горобец В.Н., Шарапов Л.И.,Майков Г.Г. Некоторые статистические характеристики доплеровских спектров в КВЧ ММД, рассеяных лиственными деревьями.// Межведомств. НТС: "Статистические методы и системы обработки данных дистанционного зондирования окружающей среды".- Минск.- 1989.-с.68.

15. Гутник В.Г., Горобец В.Н., Кабанов В.А., Майков Г.Г., Хоменко С.И. Доплеровские спектры СВЧ сигналов, рассеяных струей истекающих газов газотурбинного двигателя и параметры флуктуаций коэффициента преломления за соплом.// Труды XIV Всесоюзн. конф. по распростр. радиоволн.- Ч.2.-Харьков.- 1990.-с.291.

АНОТАЦІЇ

Гутнік В.Г. Зворотне розсіювання радіохвиль короткохвильової частини міліметрового діапазону морською поверхнею при обрушенні морських хвиль.-Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03- радіофізика. Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України, Харків, 2001.

Дисертація присвячена експериментальним і теоретичним дослідженням особливостей зворотного розсіювання морською поверхнею радіохвиль короткохвильової частини міліметрового діапазону. Вивчено вплив цих особливостей на енергетичні, статистичні, спектральні і часові характеристики зворотного розсіювання. Запропоновано уточнену фізичну модель розсіювання морською поверхнею радіохвиль міліметрового діапазону і на її основі проведений порівняльний аналіз характеристик морських РЛС. Встановлено, що і для короткохвильової частини міліметрового діапазону сигнали, відбиті морською поверхнею при обрушенні морських хвиль, являють собою випадковий процес з яскраво вираженими фазами сплесків і пауз, мають часову і просторову нестаціонарність. Показано часову мінливість параметрів доплерівських спектрів. Запропоновано уточнену модель розсіяного морською поверхнею сигналу при обрушенні морських хвиль, що дозволяє одержувати оцінки його характеристик у міліметровому діапазоні радіохвиль з урахуванням співвідношення розмірів часток крапельно-бризкової фракції і робочої довжини хвилі РЛС. Показано, що для виявлення надводних і маловисотних об'єктів слід здебільшого використовувати довгохвильову частину міліметрового або короткохвильову частину сантиметрових діапазонів, а для визначення координат об'єктів, особливо кутових, у системах наведення і самонаведення доцільно використовувати РЛС короткохвильової частини міліметрового діапазону з високою роздільною здатністю по всіх координатах.

Ключові слова: зворотне розсіювання, короткохвильова частина міліметрового діапазону радіохвиль, РЛС, ефективна поверхня розсіювання, обрушення морських хвиль, доплерівські спектри, статистичні характеристики.

Гутник В. Г. Обратное рассеяние радиоволн коротковолновой части миллиметрового диапазона морской поверхностью при обрушении морских волн.-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика.- Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова Национальной академии наук Украины, Харьков, 2001.

Диссертация посвящена экспериментальным и теоретическим исследованиям особенностей обратного рассеяния морской поверхностью радиоволн коротковолновой части миллиметрового диапазона. Изучено влияние этих особенностей на энергетические, статистические, спектральные и временные характеристики обратного рассеяния. Предложена уточненная физическая модель рассеяния морской поверхностью радиоволн миллиметрового диапазона и на ее основе проведен сравнительный анализ характеристик корабельных и береговых РЛС. Диссертация состоит из введения, трех разделов, выводов. Список использованых источников из 65 наименований. Общий объем диссертационной работы 144 страницы. В первом разделе рассмотрены основные особенности обратного рассеяния радиоволн морской поверхностью. Проанализированы модели формирования рассеянного морской поверхностью СВЧ сигнала, их достоинства и недостатки. Проведен анализ известных результатов экспериментальных исследований рассеянного морской поверхностью сигнала в миллиметровом диапазоне радиоволн. Сформулированы цель работы и задачи, решаемые в ней. Во втором разделе описаны методика проведения экспериментальных исследований и комплекс измерительной аппаратуры КВЧ ММД. Приведены оценки погрешностей измерения основных параметров отраженного сигнала. Основное внимание во втором разделе уделено описанию полученных характеристик отраженного сигнала: спектральной плотности, временных характеристик, ЭПР морской поверхности. Проанализирована временная изменчивость спектральных характеристик. Показано, что характерные всплески интенсивности сигнала, отраженного морской поверхностью, обусловлены отражением от капельно-брызговой фракции, образующейся в процессе обрушения морских волн. Проведен теоретический анализ временных характеристик, основанный на формировании отраженного сигнала от обрушивающихся морских волн. Получены законы распределения ЭПР морской поверхности, как при наличии обрушений морских волн, так и без них. В третьем разделе рассматривается влияние капельно-брызговой фракции на характеристики рассеянного сигнала при обрушении морских волн в диапазоне радиоволн от 2 до 30 мм и проводится сравнительная оценка характеристик РЛС в этом диапазоне радиоволн. Расчетным путем получены оценки удельной ЭПР морской поверхности, временные и спектральные характеристики и их параметры, предлагается уточненная модель формирования отраженного сигнала в диапазоне рабочих длин волн РЛС от 2 до 30 мм. Получены оценки характеристик РЛС, работающих в этом диапазоне длин радиоволн. В результате выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты, обладающие научной новизной. Впервые показано, что в коротковолновой части миллиметрового диапазона радиоволн изменяется соотношение между длительностями фаз всплесков и пауз сравнительно с более длинноволновыми диапазонами, при этом наличие этих фаз, выявленных раньше в сантиметровом и миллиметровом диапазонах, сохраняется. Впервые получены доплеровские спектры сигналов в коротковолновой части миллиметрового диапазона радиоволн, проанализированы их свойства, в частности, определено влияние на них обрушения морских волн. Впервые доказано, что в коротковолновой части миллиметрового диапазона радиоволн значительный вклад в отраженный сигнал вносит рассеяние на капельно-брызговой фракции, которая сопровождает обрушение морских волн; с учетом этого явления уточнена расчетная модель отражения от морской поверхности. Показаны преимущества применения радиоволн коротковолновой части миллиметрового диапазона для решения определенных задач радиолокации над поверхностью моря.

Ключевые слова: обратное рассеяние, коротковолновая часть миллиметрового диапазона радиоволн, РЛС, эффективная поверхность рассеяния, обрушение морских волн, доплеровские спектры, статистические характеристики.

Gutnick V.G. Backscattering of radio waves of the shortwave part of the millimeter-wave band by sea surface at breaking sea waves. - Manuscript.

Dissertation for the scientific degree of the candidate of physical and mathematical sciences on the speciality 01.04.03 - radio physics. The Usikov's Institute for Radiophysics and Electronics of National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov, 2001.

Results of experimental and theoretical investigations of radio wave backscattering deculiarities by a sea surface in the shortwave part of the mm-wave band are presented. The influence of the peculiarities on power, statistical, spectral and temporal characteristics of backscattering has been studied. The refined physical model of the microwave backscattering by the sea surface has been suggested, around which a comparative analysis of sea radar characteristics of has been performed. It has been found that for the shortwave part of mm-wave band the signals reflected by a sea surface at sea wave breaking present the discrete random process with pronounced phases of bursts and pauses and have temporal and spatial non-stationarity. Parameters of Doppler spectra are demonstrated to be variable in time. The refined model of a signal scattered by the sea surface at wave breaking has been suggested that allows to estimate its characteristics in mm-wave band with account of the relationship between sizes of a drop-spray fraction particles and an operating radar wavelength. It has been demonstrated that the long-wave part of the mm-wave band or the shortwave part of the centimeter-wave band is preferable for detecting waterborne and low-altitude targets, and the radars of the short-wave part of the mm-wave band with a high resolution as to all the coordinates would be efficient in guidance and self-guidance systems for determination target coordinates, especially the angular ones.

Key words: backscattering, short-wave part of the millimeter-wave band, radar, radar cross-section, sea wave breaking, Doppler spectra, statistical characteristics.

Размещено на Allbest.ru