Зворотне розсіяння радіохвиль НВЧ та НЗВЧ діапазонів корабельними хвилями

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова

УДК 621.371.029.65

01.04.03 - радіофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Зворотне розсіяння радіохвиль НВЧ та НЗВЧ діапазонів корабельними хвилями

Горобець Володимир Миколайович

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис.

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

НАУКОВИЙ КЕРІВНИК: доктор фізико-математичних наук, професор, Ківва Фелікс Васильович, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, м. Харків, завідувач відділу поширення радіохвиль у природних середовищах.

ОФІЦІЙНІ ОПОНЕНТИ: доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник, Іванов Віктор Кузьмич, Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, м. Харків, завідувач відділу дистанційного зондування Землі;

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 радіолокаційних методів та засобів дистанційного зондування.

ПРОВІДНА УСТАНОВА: Радіоастрономічний інститут Національної академії наук України., м. Харків, відділ космічної радіофізики.

Захист відбудеться " 2 " листопада 2006р. о 1400 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64. 157. 01 Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України (61085, м. Харків, вул. Ак. Проскури, 12).

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 " 29 " вересня 2006р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор фіз.-мат. наук, професор Кириченко О.Я.

Анотації

Горобець В.Н. Зворотне розсіяння радіохвиль НВЧ та НЗВЧ діапазонів корабельними хвилями. -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, 2006.

Дисертацію присвячено експериментальному та теоретичному дослідженню особливостей зворотного розсіяння радіохвиль гідродинамічними утвореннями, що виникають при русі надводних об'єктів.

Вивчено вплив цих особливостей на енергетичні, статистичні, спектральні і часові характеристики зворотного розсіяння.

Описано характеристики сигналів, розсіяних гідродинамічними утвореннями від надводних об'єктів, що рухаються: допплерівські спектри та ЕПР. радіохвиля гідродинамічний розсіяння

Запропоновано модель фізичних розсіювачів, які можуть вносити суттєвий вклад в сумарний розсіяний сигнал.

Показано, що для суден з гідростатичним способом підтримки при русі на граничних швидкостях під нульовими курсовими кутами основними розсіювачами є саме судно та корабельні хвилі, що обрушуються. Енергетичні допплерівські спектри сигналів від корабельних хвиль, що обрушуються, для таких суден залежать від їх швидкості та курсового кута.

Наведені результати досліджень сигналів, які розсіяні різними ділянками корабельних хвиль, що обрушуються, в залежності від фази її розвитку, запропоновано модель зворотного розсіяння радіохвиль корабельними хвилями, що обрушуються. Показано, що при обрушенні корабельної хвилі зворотне розсіяння НВЧ та НЗВЧ сигналів обумовлено частками крапельно-бризкової фракції, яка генерується корабельною хвилею поблизу корпуса судна.

Ключові слова: зворотне розсіяння, надводні об'єкти, корабельні хвилі, що обрушуються, ефективна поверхня розсіяння, допплерівські спектри.

Горобец В.Н. Обратное рассеяние радиоволн СВЧ и КВЧ диапазонов корабельными волнами.- 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, 2006.

Диссертация посвящена экспериментальным и теоретическим исследованиям особенностей обратного рассеяния радиоволн СВЧ и КВЧ диапазонов обрушивающимися корабельными волнами.

Изучено влияние этих особенностей на энергетические, статистические, спектральные и временные характеристики обратного рассеяния.

Предложена физическая модель рассеяния СВЧ и КВЧ сигналов обрушивающимися корабельными волнами.

Диссертация состоит из введения, трех разделов, выводов. Список использованных источников содержит 66 наименование. Общий объем диссертационной работы 144 страниц.

В первом разделе рассмотрены основные гидродинамические характеристики волн на воде, включая ветровые и корабельные волны. Рассмотрены особенности обратного рассеяния радиоволн морской поверхностью. Проанализированы модели формирования рассеянного морской поверхностью СВЧ сигнала, их достоинства и недостатки. Проведен анализ существующих результатов экспериментальных и теоретических исследований рассеяния радиоволн СВЧ и КВЧ диапазонов волнами на воде, вызванными движением надводного объекта. Сформулированы цель работы и задачи, решаемые в ней.

Во втором разделе описаны методика проведения экспериментальных исследований и комплекс измерительной аппаратуры см и мм диапазонов радиоволн. Приведены оценки погрешностей измерения основных параметров рассеянного сигнала. Основное внимание во втором разделе уделено исследованию сигналов, рассеянных гидродинамическими образованиями, возникающими при движении надводного объекта. Проведено описание полученных характеристик этих сигналов: спектральной плотности и ЕПР.

Предложена модель физических рассеивателей, которые могут вносить существенный вклад в суммарный рассеянный сигнал. Показано, что для судов с гидростатическим способом поддержания, который является наиболее распространённым типом среди морских судов, при движении на предельных скоростях под нулевым курсовым углом основными рассеивателями является само судно и обрушивающиеся корабельные волны.

В третьем разделе изложены результаты исследований обратного рассеяния радиоволн СВЧ и КВЧ диапазонов обрушивающимися корабельными волнами, возникающими в результате движения судов различных классов в зависимости от ракурса и скорости их движения.

Показано, что для судов с гидростатическим способом поддержания и глиссеров энергетические доплеровские спектры сигналов, рассеянных обрушивающимися корабельными волнами под малыми углами места, зависят от скорости и курсового угла судна.

Приведены результаты исследований сигналов, рассеянных различными участками обрушивающейся корабельной волны в зависимости от фазы её развития, предложена модель обратного рассеяния радиоволн обрушивающимися корабельными волнами.

Показано, что при обрушении корабельной волны обратное рассеяние СВЧ и КВЧ сигналов обусловлено преимущественно частицами капельно-брызговой фракции, порождаемой обрушивающейся волной вблизи движущегося судна.

Ключевые слова: обратное рассеяние, надводные объекты, обрушивающиеся корабельные волны, эффективная поверхность рассеяния, доплеровские спектры.

Gorobets, V.М. Microwave backscattering by ship waves. - Manuscript.

A thesis in partial fulfillment of requirements for the Ph.D. degree in physics and mathematics, speciality 01.04.03 - Radiophysics. Usikov Institute of Radiophysics and Electronics, National Academy of Sciences of Ukraine. Kharkiv, 2006.

Results of experimental and theoretical investigations are presented, concerning cm and mm radio wave backscatter from breaking ship waves.

Power, spectral and temporal features of the backscattered signals have been studied.

Parameters of the signal scattered by hydrodynamic formations produced by a moving surface object, namely the spectral density and scatter cross section are described.

A model representation is suggested for the physical scatterers which can introduce an essential contribution to the total scattered signal.

It is shown that for hydrostatic ships moving with a critical speed at a zero course angle the main scatterers are the ship body and breaking ship waves. For these ships the Doppler power spectra of the signals scattered within small elevation angles by breaking ship waves depend on the ship speed and course angle.

Results of study are given for radio waves scattered by different parts of the breaking ship wave, depending on its phase of development. A model of the radio wave backscatter from breaking ship waves is proposed.

As has been founded, the backscattered intensity of microwave is controlled mostly by particles of the capillary-spark fraction produced by the breaking wave close to the moving ship.

Keywords: backscattering, surface object, breaking ship wave, radar cross-section, Doppler spectra.

Загальна характеристика роботи

Дисертаційна робота є результатом експериментальних і теоретичних досліджень зворотного розсіяння радіохвиль гідродинамічними утвореннями, що виникають у результаті руху надводних об'єктів.

Актуальність теми. Однією з найважливіших задач, пов'язаних із забезпеченням національних інтересів України на Чорному та Азовському морях, є задача висвітлення та контролю надводного оточення у винятковій економічній зоні країни, навігаційного забезпечення мореплавання й підтримки сприятливого оперативного режиму в зоні відповідальності ВМС України. Розв'язання цієї задачі вимагає організації всепогодного виявлення, вимірювання координат і розпізнавання надводних та аеродинамічних об'єктів різних класів, у тому числі малорозмірних і(або) створених за технологією "Stealth". Технічне рішення цієї задачі виконується за допомогою методів і засобів, заснованих на прийомі радіолокаційних сигналів, відбитих надводними та аеродинамічними об'єктами. Для розв'язання цих задач найбільше поширення одержали радіолокаційні системи, що працюють в ультрависокочастотному (УВЧ, 300 - 3000 МГц), надвисокочастотному (НВЧ, 3000 МГц - 30 ГГц) і надзвичайно високочастотному (НЗВЧ, 30 - 300 ГГц) діапазонах, що сполучають у собі значні дальності дії і всепогодність, а також високі лінійні та кутові точності.

З огляду на особливості берегової межі Криму, а також на розробку парку перспективних РЛС, можна припустити, що й у доступному для огляду майбутньому радіолокаційні засоби УВЧ - НЗВЧ діапазонів будуть основними в системі дистанційного моніторингу морських кордонів Чорноморського та Азовського узбереж України.

Відомо, що в зазначених частотних діапазонах на роботу РЛС істотний вплив роблять інтерференція, рефракція і дифракція радіохвиль, розсіяння й поглинання в гідрометеоутвореннях та газах атмосфери, а також розсіяння радіохвиль морською поверхнею й гідродинамічними утвореннями, що виникають у процесі руху надводних об'єктів (корабельні хвилі, кільватерний слід). За рідкісним винятком радіолокація зазначених об'єктів відбувається на тлі відбиттів від схвильованої морської поверхні й метеоутворень - нестабільних у часі і неоднорідних у просторі, що може утруднити або навіть виключити можливість виявлення морських об'єктів, особливо у тих випадках, коли їхня ефективна поверхня розсіяння (ЕПР) мала і (або) знижена штучним способом. У таких умовах для розв'язання основних радіолокаційних задач, включаючи розпізнавання морських цілей, можуть бути використані відбиття не від об'єктів, а від гідродинамічних утворень, що виникають на морській поверхні при русі цих об'єктів. До гідродинамічних утворень відносяться корабельні хвиля та турбулентний слід (бурун). Визначальним фактором в цьому разі є присутність розсіяння від піни та бризок, що утворились в результаті роботи гребного гвинта та обрушення корабельних хвиль.

Як установлено відносно недавно, в деяких випадках ЕПР гідродинамічних утворень може бути порівняна або навіть перевищувати ЕПР самих об'єктів. Однак через різноманіття і складність їхніх просторово-часових структур, різкої залежності інтенсивності відбиттів від дистанції та висоти, а також розсіяння ними радіохвиль у широкому спектрі частот і напрямків, реалізація діючих систем, що використовують "вторинні" ефекти, дотепер викликає значні труднощі.

Головними з них є:

- залежність інтенсивності відбиттів від частоти і дистанції до об'єктів;

- вплив рефракції і дифракції в суміжному шарі, що безпосередньо прилягає до водної поверхні;

- просторово-часові особливості корабельних хвиль і кільватерних слідів у ближній зоні від об'єкта, що рухається;

- залежність параметрів вторинних утворень від способу підтримки судна на поверхні води, а також від конструктивних особливостей носових та кормових обводів корпуса судна при їх русі.

Експериментально встановлено, що існує ряд фізичних механізмів, які сприяють виявленню "вторинних" ефектів від рухомих морських об'єктів. Головними серед них є:

- наявність у безпосередній близькості від поверхні моря більш ніж в 60% випадків низьких поверхневих хвилеводів випару, що приводять до концентрації енергії поблизу поверхні моря, ослабленню інтерференційних мінімумів і висотних дифракційних залежностей;

- існування в безпосередній близькості від водної поверхні підвищених у порівнянні із середніми градієнтів рефракції, внаслідок чого реальні кути зустрічі радіохвиль із поверхнею виявляються більшими, ніж це випливає з геометричних побудов.

Таким чином, дослідження зворотного розсіяння радіохвиль НВЧ і НЗВЧ діапазонів гідродинамічними утвореннями, зокрема, корабельними хвилями, є актуальною проблемою, що містить у собі гідродинамічну і радіофізичну частини фундаментального та прикладного характеру, рішення яких у загальній постановці поки не відомі.

З огляду на виняткову складність їхнього теоретичного рішення, особливо в ближній зоні від об'єкта, що рухається, а також відсутність моделей, що зв'язують параметри гідродинамічних утворень і радіофізичні характеристики розсіяних сигналів, у дисертаційній роботі зроблена спроба експериментального вивчення ряду особливостей зворотного розсіяння радіосигналів НВЧ і НЗВЧ діапазонів в умовах, коли параметрами руху надводних об'єктів різних класів, включаючи їхню швидкість, напрямок руху, тип судна й т.д. можна управляти за бажанням оператора.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Експериментальні дослідження, що становлять основу дисертації, виконувалися відповідно до наукових планів Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України у межах фундаментальних НДР, заданих рішеннями Президії НАН України та інших директивних органів:

"Исследование особенностей распространения и рассеяния волн в погранслоях системы "океан-атмосфера" ", шифр "Прогноз-4", (1995р-1997р), номер держреєстрації 01.94. U031130;

"Исследование и разработка радиофизических методов и средств дистанционной диагностики атмосферы, поверхности раздела и водной среды", шифр "Довкілля" (1998р - 2000р), номер держреєстрації 01.98U001471.

"Радиофизические исследования атмосферы морских акваторий и суши для задач радиолокации, океанографии, экологии, ликвидации последствий природных и техногенных катастроф", шифр "Октан" (2000р-2003р), номер держреєстрації 0100U4006444;

"Исследования распространения электромагнитных и акустических волн в средах с пространственно-временной дисперсией и поглощением", шифр "Цетан" (2004р-2006р), номер держреєстрації 0103U002266.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є встановлення зв'язку між характеристиками зворотного розсіяння НВЧ та НЗВЧ сигналів і параметрами корабельних хвиль, що обрушуються, а також розробка фізичної моделі розсіяння НВЧ та НЗВЧ сигналів від корабельної хвилі, що обрушується.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- розробити методику вимірювання і визначити вимоги до комплексу вимірювальної апаратури, призначеної для вивчення особливостей зворотного розсіювання НВЧ та НЗВЧ сигналів гідродинамічними утвореннями;

- розробити й створити комплекс вимірювальної апаратури сантиметрового й міліметрового діапазонів радіохвиль;

- провести експериментальні і теоретичні дослідження зворотного розсіяння НВЧ та НЗВЧ сигналів від гідродинамічних утворень для одержання енергетичних, спектральних і часових характеристик розсіяних сигналів;

- розробити модель розсіяння НВЧ та НЗВЧ сигналів від корабельної хвилі, що обрушується.

Об'єктом дослідження є процес розсіяння радіохвиль НВЧ та НЗВЧ діапазонів водною поверхнею в безпосередній близькості від надводного об'єкта, що рухається.

Предметом дослідження є зворотне розсіяння радіохвиль НВЧ та НЗВЧ діапазонів корабельними хвилями, що обрушуються, і його енергетичні, часові й спектральні характеристики.

Методи дослідження. Енергетичні, часові й спектральні характеристики зворотного розсіяння радіохвиль сантиметрового й міліметрового діапазонів корабельними хвилями, що наведені в дисертаційній роботі, отримані експериментально й підтверджені моделлю. В роботі використані сучасні методи теорії поширення й розсіяння радіохвиль, методи статистичної радіофізики і спектрального аналізу.

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

вперше отримано допплерівські спектри сигналів, розсіяних гідродинамічними утвореннями, що виникають у ближній від надводних об'єктів зоні при русі, проаналізовано їхні властивості.

вперше показано, що при русі малорозмірних надводних об'єктів основними розсіювачами, крім власне об'єктів, є корабельні хвилі, що обрушуються;

вперше розроблена модель зворотного розсіяння радіохвиль корабельною хвилею, що обрушується;

вперше доведено, що при обрушенні корабельних хвиль основний внесок у розсіяний сигнал вносить розсіяння на крапельно-бризковій фракції;

Практичне значення одержаних результатів. Одержані в дисертаційній роботі характеристики сигналів, розсіяних корабельними хвилями, що обрушуються, при русі суден різних класів дають можливість використати їх для підвищення ефективності радіолокації: виявлення, визначення параметрів руху суден і їхнього розпізнавання в спектральному ознаковому просторі. У першу чергу це стосується радіолокації малорозмірних високошвидкісних суден, а також об'єктів, розроблених за технологією "Stealth".

Особливості спектрів сигналів, розсіяних гідродинамічними утвореннями, що виникають в результаті руху надводних об'єктів різних класів, можуть бути використані як ознаки при їхньому розпізнаванні.

Крім того, результати роботи можуть бути використані в інтересах класичного кораблебудування. Вони дозволяють установити статистичні зв'язки між таким параметром хвильового опору, як складова хвильового опору при обрушенні, з характеристиками розсіяного сигналу.

Результати дисертаційної роботи можна використати як в науково-дослідних установах і організаціях, які працюють в областях радіофізики, океанографії, екології та дослідження навколишнього середовища дистанційними методами, так і для розробки радіолокаційних засобів різного призначення.

Особистий внесок здобувача. Здобувач у колективі виконавців брав участь у розробці методик досліджень, створенні комплексів вимірювальної апаратури, у проведенні та обробці результатів натурних досліджень, підсумки яких наведені в роботах [1-11].

У роботах [2, 8, 9, 11] здобувачем запропоновано методику обробки нестаціонарних радіолокаційних сигналів для отримання спектральних характеристик і наведені ці характеристики.

За результатами натурних вимірів здобувачем отримані спектральні характеристики сигналів, розсіяних корабельними хвилями, які обрушуються [1, 4, 5, 7], що дозволило використати ці характеристики для визначення параметрів руху судна [6].

Здобувачем виявлено істотний внесок крапельно-бризкової фракції у НВЧ сигнал, розсіяний корабельними хвилями, що обрушуються [1].

У роботі [4] автором запропонована й обґрунтована фізична модель розсіювачів радіохвиль НВЧ та НЗВЧ діапазонів при обрушенні корабельних хвиль.

Апробація результатів дисертації. Основні результати, наведені в дисертаційній роботі, були представлені на Всесоюзних конференціях з поширення радіохвиль (Харків, 1990 р.), на міжнародних конференціях з поширення радіохвиль (Харків, 1998р.), на Всесоюзній школі з поширення міліметрових і субміліметрових хвиль в атмосфері (Харків, 1989р.), на міжвідомчій науково-технічній конференції "Приборы, техника и распростр. мм, сбмм волн" (Харків, 1992р.).

Публікації. Основні матеріали дисертаційної роботи опубліковані в 5 статтях у наукових журналах і збірниках, у 5 збірниках праць наукових конференцій, в одному авторському свідоцтві на винахід.

Структура та обсяг дисертації. Основний текст дисертаціъ складається з вступу, трьох розділів, висновків і містить 105 сторінки основного тексту, 42 рисунки на 28 сторінках, список використаних джерел з 66 найменуваньь на 7 сторінках. Загальний обсяг дисертаційної роботи 144 сторінки.

Дисертація написана російською мовою.

Зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність задачі вивчення особливостей розсіяння радіохвиль гідродинамічними утвореннями, зокрема, корабельними хвилями, показано зв'язок роботи з науковими програмами й темами, заданими рішеннями Президії НАН України. Сформульовано мету досліджень, а також шляхи її досягнення. Наведено наукову новизну отриманих результатів і їхню практичну значимість. Визначено особистий внесок здобувача, наведено відомості про апробацію й публікації результатів дисертаційної роботи. Дається короткий огляд змісту дисертації.

У першому розділі за матеріалами літературних джерел проаналізовано основні гідродинамічні характеристики хвиль на воді, включаючи вітрові й корабельні хвилі. Розглянуто особливості зворотного розсіяння радіохвиль морською поверхнею. Проаналізовано дві феноменологічні моделі, які описують формування розсіяного морською поверхнею НВЧ сигналу, і характеристики розсіяного сигналу. Проаналізовано переваги та недоліки розглянутих моделей.

Розглянуто енергетичні й спектральні характеристики розсіяних сигналів: ЕПР і спектральну щільність.

Показано необхідність подальшого вивчення характеристик сигналів, розсіяних гідродинамічними утвореннями, у тому числі корабельними хвилями, що обрушуються.

Другий розділ присвячено дослідженню гідродинамічних утворень, викликаних рухом надводних суден, описано методику проведення експериментальних досліджень і комплекс вимірювальної апаратури. Наведено оцінки похибок вимірювання основних параметрів розсіяного сигналу.

Найбільшу увагу в другому розділі приділено дослідженням по визначенню фізичних розсіювачів, які вносять основний вклад у загальний розсіяний сигнал, і опису експериментальних характеристик сигналів від цих розсіювачів: ЕПР і просторово-часових спектрів.

За результатами аналізу, проведеного в першому розділі, запропоновано модель фізичних розсіювачів, які можуть вносити істотний вклад у розсіяний сигнал. Серед них основними є:

- судно, що рухається зі швидкістю V;

- корабельні хвилі, що обрушуються;

- турбулентний слід (бурун), що виникає на воді за кормою при роботі гребних гвинтів;

- носові крапельно-бризкові утворення, що виникають при взаємодії носового краю судна з водою.

Показано, що найбільші відмінності у внеску різних розсіювачів у сумарний розсіяний сигнал спостерігаються при радіальному віддаленні і наближенні судна.

На рис.1 наведені приклади усереднених нормованих спектрів () сигналів, розсіяних катером, що рухається, та гідродинамічними утвореннями при його радіальних віддаленні (а) і наближенні (б) зі швидкістю V = 5 м/с. Сигнал для нормування, використаний для даного прикладу, є сигнал, розсіяний еталонним відбивачем. При цьому

,

де - спектральна щільність сигналу еталонного відбивача.

За результатами аналізу особливостей спектрів розсіяних сигналів у рамках прийнятої моделі при рівномірному русі катера на віддалення й наближення, виявлено наступне:

- для катера, що наближається, основними розсіювачами є: корпус катера, корабельні хвилі, що обрушуються (їх носові й кормові утворення) і носові крапельно-бризкові утворення; турбулентний слід (бурун) істотного вкладу в розсіяний сигнал не вносить внаслідок його екранування корпусом судна;

- при віддаленні катера основний вклад у розсіяний сигнал вносить бурун, носові крапельно-бризкові утворення екрануються корпусом судна, а зворотне розсіяння від пологого заднього схилу хвиль, що обрушуються, при малих кутах місця значно менше, ніж від крутого переднього фронту.



а) б)

Рис.1. Приклади усереднених нормованих спектрів:

1 - спектральні складові сигналу від катера, 2 - від буруна, 3 - від корабельних хвиль, що обрушуються.

Інтенсивність спектральних складових сигналів, розсіяних гідродинамічними утвореннями, різні для катера, що наближається й віддаляється. Для катера, що наближається, їх рівень вищий на 10-15 дБ.

Визначення вкладу носових крапельно-бризкових утворень та носових і кормових корабельних хвиль, що обрушуються, окремо проводилось шляхом екранування їх за допомогою металевих екранів різної конструкції.

Екранування носових і кормових корабельних хвиль, що обрушуються, у будь-яких сполученнях для надводних об'єктів, які наближаються, показало, що під малими кутами місця основний вклад у розсіяний гідродинамічними утвореннями НВЧ і НЗВЧ сигнал вносять хвилі, що обрушуються. Експерименти показали, що при почерговому екрануванні носових і кормових корабельних хвиль, що обрушуються, рівень спектральних складових сигналу, розсіяного корабельними хвилями, зменшується на величину ~10 дБ.

Вклад сигналу, розсіяного від носових крапельно-бризкових утворень, становить не більше 5-10% від загального сигналу, розсіяного гідродинамічними утвореннями.

У третьому розділі викладені результати радіофізичних досліджень зворотного розсіяння радіохвиль НВЧ і НЗВЧ діапазонів корабельними хвилями, що обрушуються, виникаючими в результаті руху суден різних класів залежно від ракурсу і швидкості їхнього руху. Наведено результати досліджень сигналів, розсіяних різними ділянками корабельної хвилі, що обрушується, залежно від фази її розвитку, запропонована модель зворотного розсіяння радіохвиль корабельними хвилями, що обрушуються.

Експерименти проводилися з чотирма катерами різних типів: два з гідростатичним способом підтримки (вони відрізнялися незначними конструктивними особливостями) і два з гідродинамічним способом підтримки (глісер і катер на підводних крилах).

Основні вимірювання зворотного розсіяння корабельними хвилями, що обрушуються, проводилися на хвилі = 3 см. Паралельно вимірюванням на хвилі = 3 см проводилися вимірювання на хвилях 8 мм і 2 мм.

В результаті проведених досліджень показано, що для суден з гідростатичним способом підтримки і глісерів поточні енергетичні допплерівські спектри сигналів, розсіяних корабельними хвилями, що обрушуються, під малими кутами місця, залежать від швидкості й курсового кута судна. Для суден, що наближаються, при русі на граничній швидкості у великому діапазоні курсових кутів (±50° щодо радіального курсу) ЕПР корабельних хвиль, що обрушуються, приблизно рівна ЕПР судна. Граничною швидкістю, або граничною швидкістю корпусу, називається така швидкість, для якої відносна швидкість = 1,21, де V - швидкість катера, а l - його довжина (розмірність відносної швидкості - м/с, довжина - м). Для суден цих типів, що віддаляються, зворотне розсіяння від корабельних хвиль, що обрушуються, практично відсутнє. У спектрах розсіяних сигналів характерна наявність розсіяння від турбулентного сліду працюючого гвинта (буруна). ЕПР буруна на порядок нижча, ніж ЕПР корабельних хвиль, що обрушуються. Для великого сектору курсових кутів (±135°) ширина спектру сигналів, розсіяних корабельними хвилями, що обрушуються, набагато перевищує ширину спектра сигналу, розсіяного корпусом катера. У спектрі сигналів, розсіяних корабельними хвилями, що обрушуються, для глісерів завжди присутній один максимум. Для суден з гідростатичним способом підтримки можливе існування одного або декількох максимумів.

Для суден на підводних крилах (СПК) поточні енергетичні допплерівські спектри сигналів, розсіяних корабельними хвилями, що обрушуються, залежать від швидкості руху судна. Відмінності в потужності розсіяного сигналу та формі його енергетичного спектру особливо проявляються при наближенні судна. Вони залежать від режиму руху судна, який визначається переважно швидкістю його руху. Зі збільшенням швидкості судна до виходу на режим на підводних крилах (відносна швидкість дорівнює ? 2), спостерігається зростання ЕПР гідродинамічних утворень, а потім її зменшення в 2ч3 рази. При відносних швидкостях, рівних 2,5 ч 3,0, відбувається подальше збільшення ЕПР гідродинамічних утворень. Для судна, що віддаляється, зі збільшенням швидкості його руху спостерігається ріст потужності сигналу, розсіяного гідродинамічними утвореннями, форма спектра при цьому практично не змінюється. Спектральні складові сигналу, розсіяного гідродинамічними утвореннями при віддаленні, групуються в районі нульових допплерівських частот.

Проведені дослідження сигналів, розсіяних різними ділянками корабельної хвилі, що обрушується, залежно від фази її розвитку, показали, що при обрушенні корабельної хвилі зворотне розсіяння НВЧ і НЗВЧ сигналів обумовлено переважно частками крапельно-бризкової фракції.

За результатами досліджень, проведених з одиничною хвилею, запропоновано модель зворотного розсіяння радіохвиль НВЧ і НЗВЧ діапазонів корабельною хвилею, що обрушується. Проведено зіставлення експериментальних значень спектральних щільностей потужності сигналів від корабельних хвиль, що обрушуються, з розрахунковими Показано, що енергетичні спектри сигналів, розсіяних корабельною хвилею, що обрушується, до рівнів -10 ч -15 дБ, тобто в енергійній частині спектру, можуть бути апроксимовані гаусовою кривою (рис.2). Лінія 1 на рисунку - обгинаюча спектру сигналу від корабельної хвилі, що обрушується, лінії 2 - апроксимуючі залежності спектрів сигналів, обчислені по формулі (1) для різних дисперсій

=, (1)

де - коефіцієнт, що характеризує втрати в каналі, - швидкість світла, - дисперсія радіальної швидкості розсіювачів, - несуча частота, - середнє значення радіальної швидкості розсіювачів, - кутова частота.

Рис.2. Апроксимація нормованого усередненого спектру сигналів, розсіяних корабельною хвилею, що обрушується.

Опис високочастотної області спектрів проведено на підставі результатів, наведених у роботах для вітрових і прибійних хвиль, що обрушуються, де основним розсіювачем була крапельно-бризкова фракція.

При цих умовах спектральні щільності сигналів, розсіяних корабельними хвилями, що обрушуються, можна визначити з виразу

, для D ,

, для D < ,

де F - допплерівська частота сигналу, розсіяного однією часткою, D - діаметр частки, С 3, С 4, К 3, К 4 - постійні, = 0,2 - граничний розмір краплі, нижче якого розсіювання на краплях можна вважати релеєвським.

При цих умовах спектральні щільності сигналів, розсіяних корабельними хвилями, що обрушуються, повинні зменшуватися зі збільшенням допплерівської частоти за законом , де 2 < n < 3,3.

Аналіз спектрів сигналів, розсіяних корабельними хвилями, що обрушуються, а також їхніми окремими ділянками, у високочастотній області спектру (на рівнях -10 ч-30 дБ), показує, що вони можуть бути апроксимовані залежностями виду . На рис. 3. наведено нормовані спектральні щільності потужності сигналів від хвиль, що обрушуються, для різних довжин хвиль зондувального сигналу, де Fk m- допплерівська частота, що відповідає максимуму спектральної щільності сигналу, розсіяного катером.. Значками нанесені експериментальні значення (+ - 3 см, ^ - 8мм, - 2 мм), отримані більш ніж по 30 реалізаціям. Лінії 1, 2 і 3 - апроксимуючі залежності високочастотної області спектрів від частоти у вигляді для різних довжин хвиль (лінія 1 - 3 см, 2 - 8мм, 3 - 2мм).



Рис.3. Нормовані спектральні щільності потужності: (+ - =3 см, ^ - =8 мм, - =2 мм).

Висновки

Основні результати експериментальних і теоретичних досліджень зворотного розсіяння радіохвиль НВЧ і НЗВЧ діапазонів корабельними хвилями, що обрушуються, полягають у наступному:

1. Розроблено методику дослідження характеристик зворотного розсіяння радіохвиль НВЧ діапазону гідродинамічними утвореннями, що виникають у результаті руху надводного судна. Створено комплекс вимірювальної апаратури в діапазонах 9, 35 і 140 ГГц.

2. В результаті систематичних досліджень в басейні Чорного моря (більше 600 годин вимірювання) отримані енергетичні й спектральні характеристики сигналів, розсіяних гідродинамічними утвореннями від надводних об'єктів різних класів.

3. Розроблено модель зворотного розсіяння радіохвиль НВЧ і НЗВЧ діапазонів корабельною хвилею, що обрушується.

В результаті досліджень сигналів, розсіяних гідродинамічними утвореннями, що виникають при русі надводного судна, показано:

1. Основний вклад у сигнал, розсіяний судном з гідростатичним способом підтримки й глісером, що рухаються, вносить корпус судна і корабельні хвилі, що обрушуються.

2. Для суден з гідростатичним способом підтримки й глісерів при наближенні на граничній швидкості у великому діапазоні курсових кутів (біля ±50° щодо радіального курсу) установлено, що:

- ЕПР корабельних хвиль, що обрушуються, приблизно рівна ЕПР судна;

- ширина спектру сигналів, розсіяних корабельними хвилями, що обрушуються, набагато перевищує ширину спектру сигналів від катера.

3. Для суден цих типів, що віддаляються, установлено, що:

- зворотне розсіяння від корабельних хвиль, що обрушуються, практично відсутнє;

- у спектрах прийнятих сигналів характерна наявність розсіяння від турбулентного сліду працюючого гвинта (буруна);

- ЕПР буруна на порядок нижча, ніж ЕПР корабельних хвиль, що обрушуються.

4. Для суден на підводних крилах (СПК) енергетичні допплерівські спектри сигналів, розсіяних гідродинамічними утвореннями, залежать від швидкості судна, яка обумовлює режим їх руху.

5. При русі СПК із відносною швидкістю більшою ніж 2,5 (режим руху на підводних крилах) спектральні складові енергетичних допплерівських спектрів сигналів, розсіяних гідродинамічними утвореннями, групуються поблизу нульових допплерівських частот і практично не залежать від курсового кута.

6. При обрушенні корабельної хвилі зворотне розсіяння у НВЧ і НЗВЧ діапазонах обумовлене, в основному, частками крапельно-бризкової фракції, від хвилі, що обрушується поблизу судна.

7. Енергетичні спектри сигналів, розсіяних корабельною хвилею, що обрушується, до рівнів -10 ч -15 дБ, можуть бути апроксимовані гаусовою кривою.

8. В високочастотній області спектру, нижче рівня -10 ч -15 дБ, енергетичні спектри можуть бути задовільно апроксимовані функціями виду f--n, де середні значення показників степені апроксимуючих залежностей лежать в межах від 1,5 до 3,2.

Публікації за темою дисертаційної роботи

1. Горобец В.Н., Гутник В.Г., Кивва Ф.В., Майков Г.Г., Кортунов В.А. Особенности доплеровских спектров СВЧ сигналов, рассеянных надводными объектами и волнообразованиями от них // В сб. трудов "Распространение радиоволн в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах". - Харьков. - 1995. - С.31-43.

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

3. Горобец В.Н., Гутник В.Г., Горбач Н.В., Шарапов Л.И. О статистике флуктуаций радиосигналов коротковолновой части миллиметрового диапазона при распространении над морем // Радиофизика и электроника: Сб. науч. тр. /НАН Украины. Ин-т радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова; - Харьков: -2002. - Т.7, №3. - С.484-490.

4. Горобец В.Н., Гутник В.Г., Кивва Ф.В. О доплеровских спектрах радиолокационных отражений от корабельных волн // Радиофизика и электроника: Сб. науч. тр. /НАН Украины. Ин-т радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова; - Харьков: - 2003. - Т.8, №1. - С.72-77.

5. Горобец В.Н., Гутник В.Г., Гутник А.В. Курекин А.С. Некоторые особенности обратного рассеяния радиоволн СВЧ диапазона гидродинамическими образованиями надводных объектов // Радиофизика и радиоастрономия. - Харьков: - 2005.- Т.10, №3.- С.325-333.

6. А. с. №1279380 СССР, Способ определения скорости объекта / В.Н. Горобец, В.Г. Гутник, Ф.В. Кивва, Г.Г. Майков, М.И. Головко, Ю.И. Карелов.(СССР) // Заявлено 12.06.85; Опубл. 22. 08. 86. Бюл. N12.-3с.

7. Горобец В.Н., Гутник В.Г., Майков Г.Г. Кивва Ф.В. Рассеяние СВЧ радиоволн гидродинамическими образованиями типа "фростовская волна" // III-я Всесоюзная школа по рапростр. мм и субмм волн в атмосфере (Харьков): Тез. докл. - Харьков. - 1989. - С.184.

8. Горобец В.Н., Гутник В.Г., Майков Г.Г. Горбач Н.В., Шарапов Л.И., Новиков С.С. Некоторые характеристики доплеровских спектров КВЧ ММД, рассеянных лиственными деревьями // III-я Всесоюзная школа по рапростр. мм и субмм волн в атмосфере (Харьков): Тез. докл. - Харьков. - 1989. - С.186.

9. Горобец В.Н., Гутник В.Г., Кабанов В.А. Майков Г.Г., Хоменко С.И. Доплеровские спектры СВЧ сигналов, рассеянных струей истекающих газов газотурбинного двигателя и параметры флуктуаций коэффициента преломления за соплом // XIV Всесоюзн. конф. по распростр. радиоволн (Харьков, окт. 1990): Тез. Докл. - Ч 2. - Харьков. - 1990. - С.291.

10. Горобец В.Н., Гутник В.Г., Майков Г.Г., Гонтарь И.Д., Кивва Ф.В. Об особенностях радиолокационных отражений сигналов 2-х мм диапазона взволнованной поверхностью моря.// Межведомств. научно-техн. конф.: Приборы, техника и рапростр. мм, сбм волн (Харьков, 30 июня-3 июля 1992г): Тез. докл. - Харьков. - 1992. - С.155.

11. Горобец В.Н, Гутник В.Г., Гонтарь И.Д., Майков Г.Г., Кивва Ф.В. О доплеровских спектрах сигналов 2-х мм диапазона при рассеянии на каплях и брызгах в разных условиях их генерации // Межведомств. научно-техн. конф.: Приборы, техника и рапростр. мм, сбм волн (Харьков 30 июня-3 июля 1992г): Тез. докл. - Харьков. - 1992.-С.156.

Размещено на Allbest.ru