Розсіяння радіохвиль морем та виявлення малошвидкісних об'єктів на його фоні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова

УДК. 537.86 + 621.371; 621.396

01.04.03 - радіофізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

РОЗСІЯННЯ РАДІОХВИЛЬ МОРЕМ І ВИЯВЛЕННЯ МАЛОШВИДКІСНИХ ОБ'ЄКТІВ НА ЙОГО ФОНІ

Луценко Владислав Іванович

Харків - 2009

Дисертацією є рукопис.

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

Офіційні опоненти:

- доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Безродний Володимир Григорович, Радіоастрономічний інститут НАН України, м. Харків, провідний науковий співробітник відділу радіофізики геокосмосу

- доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Запевалов Олександр Сергійович, Морський гідрофізичний інститут НАН України, м. Севастополь, старший науковий співробітник відділу дистанційних методів досліджень

- доктор технічних наук, професор Волосюк Валерій Костянтинович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "ХАІ", м. Харків, професор кафедри проектування радіоелектронних систем літальних апаратів

Захист відбудеться " 18 " березня 2010 р. о 14:00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.157.01 Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України за адресою: 61085, м. Харків, вул. ак. Проскури, 12.

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

Автореферат розісланий " 4 " лютого 2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Л.А. Рудь

Анотації

Луценко В.І. Розсіяння радіохвиль морем та виявлення малошвидкісних об'єктів на його фоні - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика. Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України, м. Харків, 2009.

Дисертацію присвячено вирішенню проблеми селекції та виявлення малошвидкісних малорозмірних об'єктів на фоні пасивних завад від морської поверхні, розвитку статистичних методів оцінки характеристик радіотехнічних систем в умовах впливу на них негауссових нестаціонарних завад. Установлено особливості зворотного розсіяння сигналів сантиметрового і міліметрового діапазонів морськими хвилями й надводними об'єктами та на їхній основі розроблено методи селекції й виявлення, які використовують: просторову кореляцію відбиттів від моря; більший, ніж для об'єктів, діапазон флуктуацій пеленга; істотно більшу кореляцію сигналів ортогональних поляризацій, розсіяних об'єктами, ніж підстильними поверхнями. Виявлено нові фізичні ефекти: наявність високочастотних компонентів спектру флуктуацій амплітуд відбиттів від об'єкта і корабельних хвиль; запізнювання, у середньому, відбиттів на ортогональній поляризації відносно до основної; резонансне зростання ЕПР за рахунок взаємного впливу елементів конструкції, колінеарних та ортогональних поляризації опромінюючого поля. Запропоновано багатовимірну статистичну модель сигналу, розсіяного морем, ділянками суші з рослинністю, "ясним" небом, яка враховує його нестаціонарний характер, і на її основі - метод оцінки характеристик радіотехнічних систем.

Ключові слова: розсіяння радіохвиль, морська поверхня, надводний об'єкт, поляризаційна матриця розсіяння, просторово-часова обробка, інформаційні ознаки, виявлення, методи селекції, негауссові процеси.

Луценко В.И. Рассеяние радиоволн морем и обнаружение малоскоростных объектов на его фоне. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика. Институт радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины, г. Харьков, 2009.

Диссертация посвящена решению проблемы селекции и обнаружения малоскоростных малоразмерных объектов на фоне пассивных помех от морской поверхности, развитию статистических методов оценки характеристик радиотехнических систем в условиях воздействия на них негауссовых нестационарных помех.

Экспериментально изучены поляризационно-спектральные особенности обратного рассеяния от морской поверхности и малоразмерных надводных объектов в сантиметровом и миллиметровом диапазоне волн. Установлено, что для скользящего среднего интенсивности и доплеровского смещения частоты сигнала, рассеянного на ортогональных поляризациях, характерна сильная корреляция, обусловленная общим модулирующим эффектом крупных морских гравитационных волн. Предложено использовать это для повышения эффективности селекции малоразмерных объектов на фоне волн.

Для различных классов судов, включая малоразмерные объекты, основная энергия отраженного сигнала заключена в узкой полосе, практически не зависящей от длины волны и ракурса движения. Экспериментально установлены особенности флуктуаций доплеровской частоты и амплитуды рассеянного надводными объектами сигнала, связанные с работой двигательной установки, движениями весел при гребке, перекладываниями паруса, которые могут использоваться для распознавания типа цели. Предложены спектральная модель рассеяния от биологических объектов (человека, птиц, животных), объясняющая наблюдаемые особенности спектра отражений, а также статистическая модель точечного надводного объекта, учитывающая его затенение гребнями морских волн.

Обнаружены ранее неизвестные физические эффекты, которые можно использовать при разработке методов селекции и обнаружения целей:

- фазовое запаздывание сигнала, рассеянного движущимися объектами на поляризации, ортогональной по отношению к согласованной, и существенно большая корреляция, чем для отражений от моря. Этот эффект позволяет улучшить радиолокационную наблюдаемость объектов на фоне помех от местных предметов и определить направления их движения;

- наличие в высокочастотной области спектра флуктуаций амплитуд отражений от движущегося надводного объекта компонент, обусловленных взаимным преобразованием отражений от корпуса объекта и корабельных волн. Этот эффект позволяет улучшить радиолокационную наблюдаемость малоразмерных скоростных объектов в некогерентных РЛС;

- резонансное рассеяние, обусловленное взаимным влиянием элементов конструкции, ортогональных и коллинеарных поляризации облучающего поля, при определенной суммарной электрической длине коллинеарных и ортогональных облучающему полю элементов конструкции.

Решена проблема селекции и обнаружения малоразмерных малоскоростных объектов на фоне пассивных помех, создаваемых отражениями от взволнованной поверхности моря и гидрометеоров. Предложены новые методы пространственной селекции объектов, использующие для компенсации отражений от моря их пространственную периодичность и существенно больший, чем для объектов, диапазон флуктуаций углов прихода. Предложен метод селекции, использующий значительно более сильную корреляцию на ортогональных поляризациях отражений от объектов, чем помех от моря и земной поверхности, покрытой растительностью.

Используя обнаруженную корреляцию интенсивности и доплеровского смещения частоты рассеянного морем сигнала, разработаны системы СДЦ с адаптивным управлением полосы режектируемых частот, улучшающие наблюдаемость надводных целей, движущихся с малыми скоростями.

Развиты статистические методы оценки характеристик радиотехнических систем в условиях воздействия на них негауссовых помех, создаваемых отражениями от морской поверхности. В классе полумарковских вложенных процессов предложена многомерная статистическая модель нестационарного негауссова сигнала, рассеянного морской поверхностью. Показана возможность ее использования для описания нестационарных отражений от участков суши, покрытых растительностью, отражений от "ясного" неба, и разработан метод оценки характеристик радиосистем.

Теоретически показано и экспериментально подтверждено, что нестационарность и негауссовость помех от взволнованной поверхности моря приводит к появлению потерь из-за необходимости увеличения отношения сигнал-шум для достижения тех же вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги, что и при гауссовом шуме. Предложены пути их снижения за счет адаптивного управления порогом и полосой режекции фильтров СДЦ, а также использования непараметрических методов обнаружения.

Ключевые слова: рассеяние радиоволн, морская поверхность, надводный объект, поляризационная матрица рассеяния, пространственно-временная обработка, информативные признаки, обнаружение, методы селекции, негауссовы процессы.

LutsenkoV.I. Scattering of radiowaves from the sea and detection of low-speed objects on the sea background - Manuscript.

Thesis for a Doctor of physical and mathematical sciences by specialty 01.04.03 - radiophysics. Usikov Institute of Radiophysics and Electronics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov, 2009.

The thesis is devoted to solving the problems of selection and detection of low-speed objects on the background of sea surface passive noise and development of statistical methods of radio system parameters estimation under the influence of non-Gaussian non-stationary noise. The features of SHF and EHF signal backscattering from the sea waves and above-water objects are ascertained. On this base, the methods of selection and detection are developed. They use spatial correlation of scattering from the sea; range of bearing fluctuation that is more than for the objects; signals of the orthogonal polarizations scattered from the objects and substantially correlated in comparison with the underlying surfaces. New physical effects are found out: presence of high frequency components of the spectrum of amplitude fluctuations of scattering from object and sea waves, scatterings lagging, on the average, on the polarization orthogonal to the basic one, resonant RCS increasing due to the interference of construction elements that are collinear and orthogonal relative to polarization of the irradiating field. It is proposed the statistical model of the signal scattered from the sea, land parts covered with vegetation, "clear" sky, which takes into account the signal non-stationary character. On the base of this model, the method of the radio systems parameters estimation is proposed.

Keywords: radio-wave scattering, sea surface, above-water object, polarization scattering matrix, space-time processing, information features, detection, methods of selection, non-Gaussian processes.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Дисертацію присвячено рішенню проблеми радіолокаційного виявлення в сантиметровому і міліметровому діапазонах радіохвиль малорозмірних малошвидкісних об'єктів на фоні завад від морської поверхні для висвітлення та контролю надводної обстановки, навігаційного забезпечення мореплавання.

Існуючі традиційні радіолокаційні засоби не забезпечують виявлення малорозмірних малошвидкісних об'єктів на фоні моря при хвилюваннях понад 2 бали. Такі об'єкти (катери, веслові човни, плавці, невеликі яхти) мають малу відбивну здатність. Середня величина ефективної поверхні розсіювання (ЕПР) цих об'єктів порівняна, а в ряді випадків і нижче, ніж ЕПР відбиттів від морської поверхні. Це означає, що вони не можуть виявлятися в умовах інтенсивної завади, створюваної відбиттями від морських хвиль при сильному хвилюванні. Швидкість руху таких об'єктів становить одиниці метрів за секунду. При цьому доплерівський зсув частоти відбитих ними сигналів є порівняним з доплерівським зсувом частоти відбиття від морських хвиль. Це не дозволяє використати традиційну доплерівську селекцію рухомих цілей (СРЦ). Метод, який дає можливість виявляти на фоні морських хвиль швидкісні низьколетючі об'єкти, що мають ЕПР у сантиметровому діапазоні в соті частки квадратного метра, стає неефективним при виявленні малошвидкісних малорозмірних об'єктів.

Зменшити площу морської поверхні, що опромінюється одночасно з об'єктом, можна, якщо використовувати короткі імпульси та вузькі діаграми спрямованості антен і таким чином підвищити контраст їхнього спостереження на фоні хвиль. Однак при цьому, у межах імпульсного об'єму радара, починають розрізнюватись окремі елементи морських хвиль, гребені, западини, й структура відбитого морем сигналу набуває дискретний характер, подібний до відбиття від малорозмірних об'єктів. Це ускладнює їхнє виявлення. Характеристики відбиття від моря починають відрізнятися від стандартного гауссового шуму, що приводить до зниження ефективності розроблених для гауссових шумів методів оптимального прийому. Крім того, завада стає нестаціонарною як у часовій, так і у просторовій площинах за рахунок розділення відбиттів від окремих елементів поверхні. У цей час відсутні загальні підходи до рішення проблеми виявлення сигналів на фоні нестаціонарних негауссових завад. З іншого боку, малорозмірні надводні об'єкти мають вертикальні розміри, порівняні з висотою морських хвиль, а тому, крім відбиттів від поверхні, на рівень поля, що опромінює об'єкт, будуть впливати його затінення гребенями морських хвиль. Вертикальні переміщення й затінення елементами морських хвиль можуть приводити до того, що статистики відбитого від об'єкта сигналу будуть відрізнятися від стандартних сверлінговських моделей.

Ступінь вивченості кожного з перерахованих вище питань різний. Фонові відбиття від моря вивчаються вже досить тривалий час. Зараз є дані про їх питомі ЕПР у широкому діапазоні довжин хвиль від декаметрових до міліметрових, закони розподілу й ширину спектру флуктуацій амплітуд. Розроблено двохмасштабну модель схвильованої морської поверхні, відповідно до якої зворотне розсіяння морем при ковзних кутах опромінення пов'язане з резонансним механізмом.

У той же час, особливості спектру відбиттів при когерентному прийомі поблизу нульової частоти практично залишилися поза полем зору дослідників, що цікавилися, у першу чергу, "високочастотною" областю завад, яка становить інтерес при побудові традиційних систем селекції швидкісних рухомих цілей. Однак саме низькочастотна область спектру відбиттів, її просторово-часова мінливість визначає можливість виявлення малошвидкісних цілей. Недостатньо вивчена просторова структура відбиттів від моря, її мінливість у часі, без знання яких не може бути оцінена ефективність виявлення при накопиченні, правильно обрані режими сканування, час накопичення й інші параметри системи.

Вплив інтерференційного послаблення поля поверхнею поділу також є предметом вивчення із самого початку практичного застосування радіохвиль для зв'язку, а потім радіолокації. Розв'язано питання розрахунку дальності дії РЛС й характеристик виявлення морських суден великих розмірів, що мають ЕПР понад сотні квадратних метрів. Вивчено процеси, що виникають при виявленні повітряних цілей, у тому числі низьколетючих швидкісних об'єктів. Що ж стосується впливу інтерференційного послаблення на роботу радіолокаційних систем (РЛС) по малошвидкісних об'єктах, що перебувають на поверхні води, або піднімаються над нею всього на десятки сантиметрів, то цей аспект проблеми майже не вивчався.

На цей час практично відсутні дані про радіолокаційні характеристики таких об'єктів як плавець, надувний човен, або надувний матрац із людьми, веслові й моторні човни, а також інших об'єктів, які необхідно виявляти радіолокаційними засобами. Завдання ускладнюється тим, що їхні радіолокаційні властивості не можуть вивчатися ізольовано від умов, у яких вони перебувають: стану моря, швидкості вітру й цілої низки інших факторів. При вивченні радіолокаційних характеристик об'єктів не можна обмежуватися такими параметрами, як середня ЕПР, спектр флуктуацій амплітуд, тому що їх недостатньо для аналізу ефективності сучасних методів просторово-часової обробки сигналів.

Для виявлення малопомітних об'єктів, у тому числі виготовлених з використанням технології "Stealth", становить інтерес вивчення можливості використання відбиттів не тільки від об'єктів, а й від гідродинамічних утворень, збуджених при їхньому русі по морській поверхні, а також пошук ефектів, які можна було б використати для підвищення контрастності спостереження об'єктів.

Таким чином, актуальність теми дисертації пов'язана з необхідністю виявлення сигналів, розсіяних малорозмірними малошвидкісними об'єктами на фоні відбиттів від морської поверхні для висвітлення й контролю надводної обстановки та навігаційного забезпечення мореплавання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. У дисертації наведено узагальнені результати досліджень, отриманих автором у період 1985-2008 рр., які базуються на програмах, планах і держбюджетних темах наукових досліджень, проведених в Інституті радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова Національної академії наук України, у тому числі: координаційному плані "Фундаментальні дослідження в області міліметрових і субміліметрових хвиль і використання їх у народному господарстві" (затверджений постановою Бюро відділення фізики і астрономії АН УРСР, протокол № 2 від 20 січня 1986 р.); цільовій комплексній програмі наукових досліджень відділення фізики і астрономії "Фізичні й астрономічні дослідження фундаментальних проблем побудови й властивостей матерії на макроскопічному й мікроскопічному рівнях" (затверджена постановою Бюро відділення фізики і астрономії НАН України, протокол № 8 від 12 січня 2002 р.).

Експериментальні та теоретичні дослідження, що становлять основу дисертації, виконувалися відповідно до наукових планів Інституту радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН України в рамках 14 науково-дослідних робіт, заданих рішеннями Президії НАН й інших директивних органів, серед них:

"Дослідження просторово-часових характеристик і розробка розрахункових моделей поля міліметрових радіохвиль над морем при малій висоті кореспондуючого пункту", шифр "Ранець" (1987 р.-1991 р.), № держ. реєстрації 01.870067838 (виконавець);

"Дослідження й розробка моделей впливу поширення ММ і СМ радіохвиль над поверхнею землі і їхнє розсіювання об'єктами на інформаційні властивості сигналів", шифр "Радуга" (1992 р.-1996 р.), № держ. реєстрації 01.93U042280 (виконавець);

"Дослідження просторово-часових, частотних і поляризаційних збурень, у тому числі розсіювання електромагнітного поля неоднорідним середовищем з поверхнею розподілу складної форми", шифр "Ранчо" (1997 р.-2001 р.), № держ. реєстрації 01.97U006563 (відповідальний виконавець);

"Радіофізичні дослідження атмосфери та морської поверхні в ДКМ та НВЧ діапазонах для вирішування задач дальньої радіолокації, океанографії й екології", шифр "Радар-1" (1997 р.-2001 р.), № держ. реєстрації 01.97U006565 (виконавець);

"Дослідження взаємодії радіохвиль з природними об'єктами та розробка методів дистанційної діагностики оточуючого середовища", шифр "Равелін" (2000 р.- 2003 р.), № держ. реєстрації 0100U006443 (відповідальний виконавець);

"Радіофізичні дослідження атмосфери морських акваторій і суші для задач радіолокації, океанографії, екології, ліквідації наслідків природних та техногенних катастроф", шифр "Октан" (2000 р.-2003 р.), № держ. реєстрації 0100U4006444 (виконавець);

"Дослідження електромагнітних полів у середовищах з поглинанням та частотною дисперсією з неявно вираженими границями шарів", шифр "Ікар" (2002 р.-2006 р.) № держ. реєстрації 0102U003138 (виконавець);

"Дослідження та розробка моделей впливу природного середовища на випромінювання, поширення та розсіяння електромагнітних хвиль з метою розвитку методів дистанційного зондування", шифр "Радикал" (2004 р.-2006 р.), № держ. реєстрації 0103U002264 (відповідальний виконавець);

"Дослідження та розробка активно-пасивних методів моніторингу навколишнього середовища", шифр "Зонд" (2006 р.-2011 р.), № держ. реєстрації 0106U011977 (відповідальний виконавець).

Мета і завдання дослідження. Мета полягає у встановленні особливостей зворотного розсіювання радіохвиль сантиметрового і міліметрового діапазонів морськими хвилями й надводними об'єктами, які могли б послужити основою для створення методів селекції та виявлення малошвидкісних малорозмірних об'єктів на фоні моря.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно було розглянути наступні задачі:

· розробити методику вимірювання та визначити вимоги до комплексу дослідної апаратури, призначеної для вивчення особливостей зворотного розсіяння сантиметрових і міліметрових радіохвиль морською поверхнею й надводними об'єктами;

· розробити й створити комплекс апаратури;

· провести експериментальні дослідження зворотного розсіяння сантиметрових і міліметрових радіохвиль від морських хвиль і малорозмірних об'єктів для одержання спектральних, поляризаційних і просторових характеристик розсіяних сигналів;

· розробити моделі розсіювання сантиметрових і міліметрових радіохвиль морською поверхнею й малорозмірними надводними об'єктами, що враховують нестаціонарність і негауссів характер розсіяного сигналу;

· розробити методи селекції, засновані на встановлених експериментально особливостях структури розсіяних морем і малорозмірними об'єктами сигналів;

· розробити метод оцінки робочих характеристик радіотехнічних систем, що працюють в умовах впливу негауссових нестаціонарних завад, створюваних відбиттями від морської поверхні.

Об'єкт дослідження - процес розсіювання радіохвиль сантиметрового і міліметрового діапазонів водною поверхнею та малорозмірними надводними об'єктами.

Предмет дослідження - зворотне розсіяння радіохвиль сантиметрового і міліметрового діапазонів морськими хвилями, надводними об'єктами і його енергетичні, часові, спектральні, поляризаційні та просторові характеристики, які можуть використовуватися для побудови методів виявлення об'єктів на фоні моря.

Методи досліджень - експериментальне вивчення характеристик зворотного розсіяння радіохвиль сантиметрового і міліметрового діапазонів морською поверхнею та надводними об'єктами; методи статистичної радіофізики, дистанційного зондування земної поверхні, радіотехніки, математичної статистики, теорії статистичних рішень; комп'ютерне моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у визначенні основних, раніш невідомих особливостей розсіяння електромагнітних хвиль сантиметрового і міліметрового діапазонів схвильованою поверхнею моря й надводними об'єктами; розробці статистичних моделей розсіяних сигналів; побудові нових методів селекції та виявлення малорозмірних малошвидкісних цілей на фоні схвильованої морської поверхні.

1. Уперше експериментально встановлено, що ковзні середні для амплітуди й доплерівського зсуву розсіяних морем сигналів на різних поляризаціях корельовані істотно сильніше, ніж поточні значення амплітуд і квадратур. Для поліпшення спостереження малошвидкісних об'єктів запропоновано використовувати кореляцію інтенсивності й доплерівського зсуву частоти розсіяного морем сигналу при реалізації систем селекції рухомих цілей із адаптивним управлінням смуги частот режекції.

2. Розроблено багатофазну імітаційну модель розсіяного морем сигналу, що враховує його негауссовість і нестаціонарний характер. Показано можливість використання запропонованої моделі для опису відбиттів від "ясного" неба, ділянок суші, вкритих рослинністю, й малорозмірних надводних об'єктів.

3. Запропоновано новий підхід до опису поляризаційно-спектральної структури відбиттів у вигляді матриць кореляції спектральних компонентів на ортогональних поляризаціях і коефіцієнтів деполяризації окремих спектральних компонентів. Установлено, що для відбиттів від гідрометеорів і надводних об'єктів рівень кореляції на ортогональних поляризаціях істотно вищий, ніж для морської поверхні. Показано, що квадратури, доплерівські частоти й співпадаючі по частоті спектральні компоненти відбиттів від гідрометеорів (дощу, снігу) і рухомих об'єктів на ортогональних поляризаціях сильно корельовані.

4. Уперше у міліметровому діапазоні отримано дані по ЕПР, спектрах і законах розподілу відбиттів від малорозмірних надводних об'єктів (човни, катера, яхти, плавці, навігаційні знаки огородження, кутові відбивачі на плаву). Установлено невідомі раніше особливості поляризаційної та спектрально-часової структури відбиттів від надводних об'єктів, пов'язані з рухом весел, перекладаннями вітрила, роботою ходової установки, які можуть використовуватись як інформативні ознаки для розпізнавання типу об'єкта.

5. Запропоновано новий метод поляризаційно-спектральної селекції малорозмірних об'єктів, який підвищує контрастність їхнього спостереження на фоні моря. Експериментально оцінено ефективність цього методу при виявленні об'єктів в умовах завад від морської поверхні й ділянок суші, вкритих рослинністю.

6. На основі експериментальних спостережень просторової періодичності відбиттів від морської поверхні розроблено новий метод для їхньої компенсації та поліпшення радіолокаційного спостереження малорозмірних об'єктів. Уперше експериментально показано, що для малорозмірних об'єктів характерний істотно більш вузький, ніж для моря, діапазон флуктуацій азимутальних кутів приходу. Ця обставина може бути використана як додаткова ознака, яка дозволяє підвищити ефективність виявлення малорозмірних надводних об'єктів.

7. В амплітудних спектрах відбиттів від надводних рухомих об'єктів і гідродинамічних утворень, створених ними на водній поверхні (корабельних хвиль), виявлено присутність високочастотних компонентів. Уперше запропоновано використання високочастотних складових спектру для виявлення швидкісних надводних об'єктів на фоні відбиттів від моря та оцінки швидкості руху в некогерентних РЛС.

8. Виявлено новий фізичний ефект, який полягає у запізнюванні, в середньому, сигналу, розсіяного рухомим складним об'єктом на ортогональній поляризації по відношенню до погодженої. Запропоновано використати цей ефект для визначення напрямку переміщення об'єкта за поляризаційною структурою розсіяного ним сигналу. Встановлено резонансне зростання ЕПР об'єктів за рахунок впливу елементів конструкції, орієнтованих ортогонально поляризації опромінюючого поля.

9. Розроблено метод оцінки робочих характеристик систем виявлення в умовах нестаціонарних негауссових завад від підстильних поверхонь (суші, моря), "ясного" неба, що дозволив оцінити втрати, які виникають у співвідношенні сигнал-завада через негауссовість завад для різних алгоритмів виявлення: з фіксованим й адаптивно керованим порогом і смугою режекції фільтра СРЦ, непараметричних.

Практичне значення одержаних результатів полягає в наступному.

1. Отримані в дисертаційній роботі характеристики зворотного розсіяння морськими хвилями і малорозмірними об'єктами різних класів служать основою для аналізу характеристик існуючих та розробки перспективних РЛС для висвітлення надводної обстановки.

2. Розроблена багатовимірна статистична модель опису відбиттів від підстильних поверхонь, "ясного" неба, малорозмірних надводних і наземних об'єктів дозволяє оцінити технічні характеристики систем селекції та виявлення в умовах негауссових нестаціонарних завад від підстильних поверхонь і "ясного" неба.

3. В розроблюваних РЛС для поліпшення спостереження малорозмірних цілей на фоні завад від місцевості можуть використовуватися експериментально встановлені особливості структури відбиттів від цілей і завад: кореляція ортогонально-поляризованих компонентів, розширення спектру відбиттів від моря при сплесках, їхня просторова періодичність, які є основою для розробки методів селекції: доплерівської, просторової по дальності та куту приходу відбиттів і спектрально-поляризаційної.

4. Визначено інформаційні ознаки, пов'язані з особливостями просторово-часової й поляризаційної структури відбиттів від різних типів об'єктів і динамікою їхньої зміни в часі, які можна використовувати при розв'язанні задачі розпізнавання.

5. В некогерентних РЛС для поліпшення спостереження швидкісних малорозмірних об'єктів, у тому числі й виготовлених за технологією "Stealth", можуть бути використані експериментально установлені особливості у високочастотній області спектру флуктуацій амплітуд відбиттів від надводних об'єктів і корабельних хвиль. Використання цієї додаткової інформації в суднових оглядових РЛС для оцінки параметрів руху дозволяє підвищити безпеку навігації.

6. При виготовленні експериментальних зразків дослідницьких РЛС розроблено: а) поляризаційні селектори, що забезпечують не тільки розкладання прийнятого поля в ортогональному базисі, але й подачу в робочі канали сигналу гетеродина з однаковими фазовими співвідношеннями; б) відкриті випромінюючі системи, що забезпечують генерацію, випромінювання й прийом сигналів; в) генератори, стабілізовані частково екранованими квазіоптичними діелектричними резонаторами. Ці пристрої можуть бути використані при створенні РЛС міліметрового діапазону хвиль.

7. Отриманий у результаті виконання досліджень науково-технічний доробок використано у в/ч 2450 і НДІ "Стріла" при розробці перспективної когерентно-імпульсної РЛС міліметрового діапазону хвиль, а також у Ростовському виробничому об'єднанні (РВО) "Горизонт" при розробці некогерентної РЛС сантиметрового діапазону.

Особистий внесок здобувача. У дисертаційній роботі викладено результати досліджень, виконаних автором самостійно та у співавторстві з колегами. Особистий внесок дисертанта полягає в наступному.

У роботі [3] авторові належать отримані в міліметровому й сантиметровому діапазонах хвиль експериментальні результати з ЕПР, законів розподілу миттєвих значень, коефіцієнтів кореляції на ортогональних поляризаціях розсіяного морем сигналу, метод опису поляризаційної структури розсіяння з використанням матриць коефіцієнтів кореляції спектральних компонентів на різних поляризаціях. У роботах [1, 4, 9, 35] автором особисто досліджено характеристики морських цілей (ЕПР, спектри, закони розподілу, коефіцієнти кореляції ортогональних компонентів), запропоновано ідею використання в некогерентних РЛС високочастотних компонентів спектру розсіяного об'єктом і корабельними хвилями сигналу, з'ясовано механізм їхньої появи. У роботі [2] авторові належить ідея використання квадратурних складових сигналу моноімпульсної РЛС для підвищення завадостійкості, технічне рішення, що реалізує ідею, та його імітаційне моделювання. У роботах [6, 7, 10] авторові належить гіпотеза про вплив елементів конструкцій, ортогональних поляризації опромінюючого поля на ЕПР об'єкта складної форми. Експериментальні дослідження проведені спільно, обробка результатів виконана автором. У роботах [14, 15, 40] авторові належить формулювання статистичної моделі розсіювання від моря і "ясного" неба, методика обробки й обробка експериментальних даних. У роботах [16, 5] авторові належить обґрунтування впливу нафтової плівки на спектральні характеристики відбиття водною поверхнею. У роботі [5] автором запропоновано метод оцінки дальності дії РЛС в умовах просторово неоднорідного моря. У роботі [8] автором запропоновано новий тип резонансної структури - частково екранований квазіоптичний діелектричний резонатор. Експериментальні дослідження й аналіз результатів проведено спільно з співавторами. У роботі [17] автором проведено експериментальні дослідження відбиттів від біологічних об'єктів на хвилях 3 см, 8 мм, 4 мм, запропоновано маятникову модель для опису їх спектральних і поляризаційних особливостей. У роботі [12] експериментальні дослідження інформативних ознак надводних об'єктів на хвилях 3 см, 8 мм, 4 мм виконано автором. Ним запропоновано математичну модель, що пояснює особливості спектрів розсіяних надводними об'єктами сигналів. Метод виявлення й оцінки місцезнаходження повітряних об'єктів із застосуваннями сигналів радіомовних станцій запропоновано автором [20]. У роботах [22, 23] авторові належить ідея побудови компенсаторів, експериментальні дослідження проведено спільно. У роботі [24] автором розроблена методика, експериментальні дослідження та обробка даних проведені спільно. У роботах [26, 28, 32] авторові належать ідеї побудови багатофункціональних поляризаційних роздільників компенсаційного типу з використанням різних типів коливань, їхні експериментальні дослідження. У роботах [27, 30] пропозиції з адаптивного керування смугою режекції фільтра СРЦ і центрування спектру завад належать авторові. Технічні рішення й експериментальну перевірку ефективності виконано спільно. У роботах [31, 38] автором запропоновано метод спільної поляризаційно-спектральної обробки й розроблено пристрій для його реалізації. Експериментальну перевірку запропонованого методу селекції проведено спільно. Ідея побудови відкритої випромінюваної системи [33] належить авторові. Технічне рішення, його експериментальну перевірку виконано спільно. Ідея використання демодуляції сигналу РЛС зі частотно-модульованим випромінюванням для здійснення можливості селекції малорухомих об'єктів на фоні завад від місцевості [34] належить авторові. У роботі [39] експериментальні дослідження і їхній аналіз виконані автором, йому ж належить ідея використання автокомпенсатора для вивчення спектрів корабельних хвиль. У роботах [36, 37] автор виконав експериментальні дослідження характеристик розсіяння об'єктами й гідрометеорами на хвилях 8 мм й 4 мм.

Розроблені в дисертаційній роботі та впроваджені в когерентно-імпульсну РЛС міліметрового діапазону "Голотурія-88" методи селекції та виявлення послужили підставою для включення автора до складу колективу виконавців, які отримали премію Ради міністрів СРСР в області радіоелектроніки у 1990 р.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертації доповідалися на 30 міжнародних і вітчизняних конференціях і симпозіумах (усього 53 доповіді), у тому числі:

1. 14 доповідей на міжнародних конференціях: "Millennium Conference on Antennas & Propagation", AP'2000 (Davos, Switzerland, 2000); 2^nd Microvave & Radar Week in Poland: "International Radar Symposium", IRS 2006 & 16^th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications (Krakow, Poland, 2006); "International Symposium of Rainfall Rate and Radio Wave Propagation", ISRR'2007 (Salem, India, 2007); 3, 4, 5, 8 МНТК "Радиолокация, навигация и связь" (Воронеж, 1997, 1998, 1999, 2002); The 38th European Microwave Conference (Amsterdam, The Netherlands, 2008).

2. 29 доповідей на міжнародних і вітчизняних конференціях: 2, 3 МНТК "Методы представления и обработки случайных сигналов и полей" (Харьков, 1991, 1993); 3, 7, 8, 9, 16, 17 Международных конференциях "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии" (Севастополь, 1993, 1997, 1998, 1999, 2006, 2007); МНТК "Современная радиолокация" (Киев, 1994); 2, 3, 4, 5, 6 International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves Millimeter and Submillimeter Waves (Kharkov, Ukraine, 1994, 1998, 2001, 2004, 2007); МНТК "Інтегровані комп`ютерні технології в машинобудуванні ІКТМ-2004" (Харків, 2004); 3 Международный радиоэлектронный форум "Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития" Международная конференция "Современные и перспективные системы радиолокации, радиоастрономии и спутниковой навигации" (СРРСН-2008) (Харьков, 2008); 2 Міжнародна науково - практична конференція "Обробка сигналів і негауссівських процесів" (Черкаси, 2009).

3. 10 доповідей на всесоюзних і вітчизняних конференціях: XV, XVI "Всесоюзная конференция по распространению радиоволн" (Алма-Ата, 1987; Ульяновск, 1993); "III Всесоюзная школа по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере" (Харьков, 1989); 1 Украинский симпозиум "Физика и техника миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн" (Харьков, 1991); НТК "Техника и физика электронных систем и устройств" (Сумы, 1995).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано в 25 статтях (у тому числі 6 одноосібних) у наукових закордонних і вітчизняних фахових виданнях, які належать до списку ВАК України, в 7 авторських свідоцтвах СРСР (1 одноосібне), 1 патенті Росії, 1 патенті України та в 6 тезах міжнародних наукових конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вcтупу, переліку умовних позначень, 7 розділів, висновків, списку використаних джерел і 1 додатку. Її повний обсяг складає 455 сторінок, з них 269 сторінок основного тексту. Дисертація містить 110 рисунків (з них 95 на 46 окремих сторінках) і 27 таблиць (з них 18 на 15 окремих сторінках). Список використаних джерел на 42 сторінках нараховує 340 найменувань. Додаток займає 50 сторінок.

Зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації. Викладено зв'язок роботи з науковими програмами й темами. Сформульовано мету та задачі досліджень, зазначені об'єкт, предмет і методи досліджень. Показано наукову новизну й практичне значення отриманих результатів, відзначено особистий внесок автора в роботах, виконаних у співавторстві, наведено відомості про апробацію та публікації за темою дисертації.

У першому розділі дисертації проведено аналіз теоретичних й експериментальних робіт, присвячених дослідженню зворотного розсіяння електромагнітних хвиль морем, сформульовано задачі, розв'язання яких необхідно для вирішення проблеми виявлення малошвидкісних об'єктів на фоні відбиттів від морської поверхні.

Відзначено необхідність установлення особливостей зворотного розсіювання сигналів сантиметрового і міліметрового діапазонів морськими хвилями й надводними об'єктами, а також збудженими на поверхні корабельними хвилями, які могли б послужити основою для створення моделей явищ, що спостерігаються, і розробки методів селекції й виявлення малошвидкісних малорозмірних об'єктів на фоні моря. Визначено потребу в створенні моделей завад і сигналів, які повинні стати основою для розробки методу оцінки робочих характеристик радіотехнічних систем в умовах негауссових нестаціонарних завад від морської поверхні.

У другому розділі викладено результати експериментального вивчення просторово-часових і поляризаційних характеристик відбиттів від поверхні моря й атмосферних явищ [3, 5, 14-16, 21, 25, 37, 40]. Дослідження проведено в північній і північно-західній частинах Чорного моря з використанням багаточастотних вимірювальних систем як з імпульсним (довжини хвиль 3 см, 2 см, 8 мм, 4 мм), так і неперервним (довжини хвиль 3 см, 8 мм) режимами випромінювання. Вивчення характеристик розсіяння радіохвиль водною поверхнею, гідрометеорами, ділянками суші, вкритими рослинністю, і наземними об'єктами проведено на хвилях 10 см, 2 см, 8 мм й 4 мм. Для досліджень використовувались, в основному, багаточастотні поляриметри з неперервним режимом випромінювання. При їхньому створенні було розроблено високостабільні генераторні прилади [8], поляризаційні розподілювачі [26, 28, 32], що забезпечили не тільки розкладання прийнятого поля в ортогональному базисі, але й подачу гетеродинного сигналу в робочі канали із прив'язкою фаз, відкриті випромінюючі системи [33] і нові способи обробки сигналів [34]. Це дозволило створити широкий клас систем від стаціонарних до надмалогабаритних з різними режимами випромінювання: імпульсним, неперервним монохроматичним і частотно-модульованим, які були використані для дослідження фазової структури сигналів, розсіяних об'єктами, підстильними поверхнями й гідрометеорами на ортогональних поляризаціях.

Нестаціонарна в часі й неоднорідна по простору поляризаційна структура відбиттів від моря описується у вигляді двох співмножників:

,

один із яких - пов'язаний з поляризаційними властивостями великомасштабних утворень, таких як великі морські хвилі, а другий - - з поляризаційними властивостями дрібномасштабних утворень, наприклад, брижами, що резонансно розсіюють, бризками. Оскільки - повільно осцилююча функція, пов'язана з періодом морського хвилювання, а - швидко осцилююча, то існує можливість роздільного вивчення пов'язаних з ними нестаціонарних властивостей відбитого морем сигналу. Дослідження побудовано на вивченні: других моментів статистичної матриці розсіяння, їхнього Фур'є перетворення (спектрів) для повної структури розсіяного сигналу, ковзного середнього статистичної матриці розсіяння і їхніх Фур'є перетворень для з'ясування особливостей, пов'язаних з ефектом модуляції великими хвилями; статистичних і спектральних характеристик компонентів статистичної матриці розсіяння на коротких інтервалах спостереження для з'ясування особливостей розсіяння сигналу резонансними брижами й бризками. Для вивчення міжспектральних зв'язків на різних поляризаціях запропоновано використання матриць кореляції спектральних компонентів [3].

Не дивлячись на те, що в різних діапазонах хвиль елементарними розсіювачами є різні дрібномасштабні утворення на морській поверхні, зміни середньої інтенсивності й доплерівського зсуву частоти, обумовлені ефектом модуляції великими морськими хвилями, проявляються однаково. Із цим пов'язана досить сильна кореляція на різних поляризаціях і довжинах хвиль ковзного середнього амплітуди й доплерівського зсуву частоти розсіяного морем сигналу. Коефіцієнт кореляції при сильних хвилюваннях моря досягає 0,95, а при слабкому хвилюванні не перевищує 0,45. У той же час миттєві значення амплітуд і квадратур на різних поляризаціях корельовані слабко, 0,4. Довжина хвилі, тривалість випромінюваного імпульсу, азимут і дальність опромінення практично не впливають на значення коефіцієнта кореляції [25]. Розсіяний морем сигнал сильно деполяризований. Коефіцієнт деполяризації сягає -3...-6 дБ на хвилях від 3 см до 4 мм при випромінюванні як вертикальної, так і горизонтальної поляризацій. Сильна деполяризація розсіяного сигналу в значній мірі обмежує можливості застосування традиційних поляризаційних методів для підвищення контрасту надводних об'єктів на фоні моря. При сильному хвилюванні моря у матриць коефіцієнтів кореляції спектральних компонентів на ортогональних поляризаціях найбільшу величину мають діагональні елементи, тобто найбільшою мірою корельовані на ортогональних поляризаціях по частоті спектральні компоненти, що співпадають. Кореляція досягає 0,5 при сильних хвилюваннях (більше 5 балів), стаючи менше 0,2 при слабкому хвилюванні (менш 2 балів). Для відбиттів від дощу характерна більша, ніж для моря, кореляція, що досягає 0,95 в енергонесучій області спектру відбиттів [3].

Вивчення поляризаційних особливостей розсіювання хвиль сантиметрового (10 см) і міліметрового (8 мм, 4 мм) діапазонів дрібномасштабними утвореннями типу капілярних хвиль, проведене в лабораторних умовах, показало, що коефіцієнт деполяризації -8…-9 дБ практично не залежить від швидкості повітряного потоку. Інтенсивність, ширина спектру й центральний зсув частоти розсіяних на вертикальній і горизонтальній поляризаціях сигналів приблизно однакові й з урахуванням вітрового зносу відповідають оцінкам, одержаним з використанням теорії розсіяння на резонансних брижах. Просторова періодичність відбитого морем сигналу на хвилях сантиметрового й міліметрового діапазонів однакова на обох поляризаціях і пов'язана з періодичністю морського хвилювання. У просторових спектрах розсіяного морем сигналу для різних поляризацій і довжинах хвиль максимум відповідає енергонесучій частоті спектру морського хвилювання. Швидкість спадання спектральної щільності просторового спектру відбитого морем сигналу приблизно така ж, як у спектру ухилів морської поверхні. Найбільшу анізотропію по напрямку мають складові, відповідні частотам енергонесучого максимуму хвилювання.

Статистичний опис розсіяного морем сигналу засновано на використанні вкладених двокомпонентних випадкових процесів , у яких один компонент - безперервний, а інший - (t)= _i - дискретний, де t - узагальнений час, яким можуть виступати просторові координати. Ці компоненти є залежними й у загальному випадку не марківськими. У кожен момент часу процес перебуває в одному з K можливих фазових станів H_ii…_K, причому вважається відомим початковий стан ₀ = _i у момент часу t = 0 й однокрокові ймовірності переходу _ij, де i, j = 1…K. Кожному ненульовому елементу матриці ймовірності переходу зіставлена випадкова величина T_ij із щільністю розподілу f_ij(t), яка є час очікування в стані _i до переходу в стан _j. Усередині кожного зі _i станів процес вважається квазістаціонарним, що описується своєю статистичною матрицею розсіювання

,

щільністю розподілу значень

і спектром

,

причому в ()_lqi перший індекс l(1,2) відноситься до поляризації випромінювання, а другий q(1,2) - прийому, індекс 1 позначає горизонтальну, а 2 - вертикальну поляризацію. Запропонований статистичний опис сигналу, розсіяного морською поверхнею, дозволяє врахувати мінливість його статистик, обумовлену розходженням характеристик розсіювання на різних поляризаціях або довжинах хвиль при проходженні через елемент розподілу гребенів морських хвиль. При описі розсіяного морською поверхнею сигналу на одній з поляризацій випромінювання й прийому можна обмежитися двома фазовими станами, розуміючи під одиничним станом - сплесками ("спайками") - сигнал від тих ділянок морської поверхні в ті моменти часу, коли в них перебувають гребені морських хвиль, а під нульовим - паузи в розсіяному сигналі. При малих часах спостереження процесу, які характерні для систем ближньої радіолокації (дальності до 20…30 км), практично не відбувається зміни стану, і щільність розподілу його значень, спектр і всі числові характеристики відповідають його початковому стану:

p(s) = p_i(s); S() = S_i(), (1)

причому, якщо вибір початку спостереження неістотний, то ці характеристики реалізуються з ймовірностями, що відповідають фінальним ймовірностям кожного зі станів P_i. При більших часах спостереження щільність розподілу значень, спектр і всі числові характеристики процесу визначаються як середньозважені характеристики у кожному з H_i станів з вагою, обумовленою фінальною ймовірністю їхньої наявності:

; ; , (2)

де - дисперсія в H_i стані й процесу в цілому.

Експериментальне вивчення щільності розподілу значень відбиттів від моря на різних поляризаціях, при різних станах поверхні, кутах її опромінення, тривалості зондуючого сигналу дозволило встановити, що при великих інтервалах спостереження вони задовільно описуються складеним нормальним законом для квадратур і релеєвським для амплітуд в інтервалі забезпеченості від 0,0001 до 0,9999.

Дослідження характеристик сплесків відбиттів від моря при хвилюваннях до 3 балів у сантиметровому й міліметровому діапазонах хвиль показало, що ймовірності наявності викидів приблизно однакові [25]. Вивчення розподілу часів існування сплесків і пауз відбиттів від моря дозволило встановити, що для них характерний трохи більший, ніж для експонентного розподілу, рівень "хвостів" [21]. Крім імовірносних характеристик часів існування викидів і пауз у розсіяному морем сигналі, вивчені їх доплерівські спектри. Встановлено, що спектри як пауз, так і сплесків задовільно описуються залежностями вида

S(F) (1+(F-F₀)/Fⁿ)^-1,

де F₀ і 2F - центральний зсув частоти й ширина спектру відбитого сигналу, а n характеризує швидкість його спадання і, як правило, n4. У доплерівських спектрах відбиттів у моменти сплесків спостерігається збільшення центрального зсуву в середньому на 20%, ширини спектру приблизно на 20…30% і зниження швидкості спадання спектральної щільності із частотою на 6...20% у порівнянні з аналогічними характеристиками при паузах. Крім того, при сплесках відбувається істотне збільшення (на 10...25 дБ) рівня спектральної щільності на високочастотних "крилах" спектру [21].

Для відбиттів від "ясного" неба, як показали експериментальні дослідження [14, 15], багато в чому характерні ті ж особливості, що й для розсіяного морем сигналу: дискретна просторова структура й часова нестаціонарність існування, тому для їхнього опису також може використовуватись запропонована модель. Експериментально встановлено, що відбиття від "ясного" неба можуть створюватися як суцільними зонами у вигляді кола або еліпса, так і їхніми межами, що мають таку ж конфігурацію. При слабких хвилюваннях до 2 балів і градієнтах коефіцієнта заломлення -0,09...-0,14 N од./м відбиття від "ясного" неба займають площу (7..21)% екрана високо потенційної РЛС (потенціал близько 215 дБ), при цьому у (4...12)% від їхнього загального числа відбиття походить від межі [14, 15]. Характерні розміри півосей зон відбиття становлять 300...600 м при середньоквадратичному розкиді 70...190 м.

У третьому розділі наведено результати експериментального вивчення статистик і поляризаційні характеристики відбиттів від малорозмірних надводних об'єктів у міліметровому й сантиметровому діапазонах хвиль [1, 4, 9, 11, 12, 18, 36]. Основну увагу було приділено вивченню характеристик розсіювання малорозмірних (човна, яхти, катера) і понадмалорозмірних (плавець) надводних об'єктів у міліметровому діапазоні хвиль, дані про які дотепер були відсутні. Отримано дані про ЕПР, спектри, закони розподілу квадратур й амплітуд на різних поляризаціях і довжинах хвиль випромінювання від 10 см до 4 мм [1, 9, 12]. Створено модель, яка пояснює особливості розсіяння радіохвиль малорозмірними надводними об'єктами, що спостерігаються в експерименті. Досліджено взаємно кореляційні властивості сигналів, розсіяних об'єктами на ортогональних поляризаціях, вивчено флуктуації кутів приходу відбитих ними сигналів [11]. Експериментально встановлено особливості поляризаційно-спектральної структури розсіяних об'єктами сигналів, які можуть бути основою їхнього розпізнавання [1, 9, 12, 36]. Досліджено особливості відбиття радіохвиль сантиметрового й міліметрового діапазонів від збурень на водній поверхні, викликаних рухом надводних об'єктів [4, 9, 35, 39].