Обеспечение навигации воздушных судов методами микроволновой радиометрии при отсутствии единого радионавигационного поля

Размещено на http://www.allbest.ru/

05.22.13 - Навигация и управление воздушным движением

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Обеспечение навигации воздушных судов методами микроволновой радиометрии при отсутствии единого радионавигационного поля

Старых Александр Васильевич

Москва - 2008

Работа выполнена на кафедре авиационных радиоэлектронных систем Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московского государственного технического университета гражданской авиации

Научный консультант:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор, доктор физико-математических наук Козлов Анатолий Иванович

Официальные оппоненты:

Лауреат Государственной Премии, Заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор, доктор физико-математических наук Лукин Дмитрий Сергеевич

Профессор, доктор технических наук Рубцов Виталий Дмитриевич

Доктор технических наук Кораблев Андрей Юрьевич

Ведущая организация: ОАО МКБ "КОМПАС"

Защита диссертации состоится на заседании диссертационного совета Д.223.011.01 при Московском государственном техническом университете гражданской авиации по адресу: 125 993, Москва, Кронштадтский бульвар 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.223.011.01 профессор, доктор технических наук Камзолов С.К.

Актуальность работы. Географические особенности таких районов России как Крайний Север, Дальний Восток, Алтайский край требуют особого подхода к обеспечению навигации воздушных судов в этих регионах. Это связано с тем, что в указанных выше труднодоступных районах практически полностью отсутствует единое радионавигационное поле.

Это приводит к тому, что проводка воздушных судов, их выход в заданную навигационную точку и обеспечение посадки представляют собой сложные навигационные задачи. В то же время из года в год нарастает постоянная потребность доставки грузов и людей в названные регионы, что необходимо для проведения геолого-разведывательных и геодезических работ, для обеспечения работы нефтяных и газовых комплексов, для обеспечения действий санитарной, пожарной и других видов авиации.

Проблема включения перечисленных выше регионов в структуру соответствующего навигационного обеспечения представляет собой на современном этапе состояния экономики и техники достаточно трудно решаемую задачу, в первую очередь, из-за сложностей технического характера, и, во-вторых, вследствие неразвитости необходимой инфраструктуры и экономической целесообразности. В этой связи резко возрастает роль автономных бортовых навигационных систем, использование получаемой при их помощи навигационной информации позволяет обеспечить достаточно высокую точность навигационных привязок, поэтому использование в качестве дополнительного источника навигационной информации собственного микроволнового излучения подстилающих покровов позволяет повысить точность навигационных привязок. При этом получаемая с помощью средств микроволновой радиометрии информация, как правило, отличается оперативностью, точностью и достоверностью. Более того, в некоторых районах, прежде всего, на Крайнем Севере, в Арктике и Антарктике микроволновое излучение является, едва ли, не единственным достоверным источником навигационной информации.

В этой связи возникает важная научно-техническая задача обеспечения навигации летательного аппарата при доставке грузов и людей в труднодоступные районы страны в условиях отсутствия единого радионавигационного поля путем использования для этих целей бортовой радиометрической аппаратуры.

Сказанное свидетельствует об актуальности диссертационной работы, посвященной разработке теоретических основ и прикладных методов использования микроволнового радиоизлучения подстилающих покровов для обеспечения навигационных привязок с борта воздушного судна.

Целью диссертационной работы является разработка принципов обеспечения навигации и посадки летательного аппарата с помощью бортовой автономной радиометрической аппаратуры при обеспечении заданного уровня безопасности полетов и заданной вероятности выполнения поставленной задачи. навигация летательный радиометрический

Для достижения поставленной цели потребовалось:

- оценить информативность измерений в микроволновой радиометрии и выявить навигационные характеристики векторных радиотепловых полей;

- оценить влияние земной поверхности и атмосферы на точность измерений в микроволновой радиометрии;

- разработать с целью использования при радиометрических измерениях методы классификации подстилающих покровов и наземных объектов для выявления наземных навигационных ориентиров и выбора возможных мест посадки летательного аппарата;

- оценить возможности микроволновой радиометрии для навигации летательного аппарата по наземным ориентирам и выбора возможных мест посадки летательного аппарата;

- обосновать требования к бортовым радиометрическим навигационным системам;

- провести экспериментальные исследования по использованию радиометров в качестве навигационных средств.

На защиту выносится совокупность научных положений, теоретических и экспериментальных результатов по использованию радиометрической аппаратуры в качестве автономного бортового навигационного средства для решения народнохозяйственных и других задач авиации, а именно:

- оценка информативности радиометрических измерений и доказательство возможности использования векторных радиотепловых полей для решения задач навигации с борта летательного аппарата с учетом влияния земной поверхности и атмосферы;

- методы классификации подстилающих покровов и наземных объектов для решения навигационных задач на основе радиометрических измерений;

- оценка возможности использования микроволновой радиометрии для навигации летательного аппарата по наземным ориентирам и выбора возможных мест посадки;

- обоснование требований к бортовым радиометрическим навигационным системам;

- результаты экспериментальных исследований по использованию радиометров в качестве навигационных средств.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней:

- проведена оценка информативности радиометрических измерений и выявлены навигационные характеристики векторных радиотепловых полей;

- проведена оценка влияния земной поверхности и атмосферы на точность измерений навигационных характеристик в микроволновой радиометрии;

- проведена классификация подстилающих покровов и наземных объектов и доказана возможность применения микроволновой радиометрии для навигации летательного аппарата по наземным ориентирам и выбору возможных мест посадки;

- обоснованы технические требования к бортовым радиометрическим навигационным системам и экспериментально доказана возможность использования радиометров в качестве автономных бортовых навигационных средств.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:

- обнаруживать реперные ориентиры на фоне подстилающих покровов и других наземных объектов для решения навигационных задач;

- обеспечивать навигационные привязки без привлечения наземных навигационных средств;

- оценивать состояние предполагаемых мест посадки и мест парашютирования и эвакуации людей, сброса почты и грузов.

Внедрение результатов.

Результаты внедрены, в разработки ОАО МКБ "Компас" и в других организациях, в учебный процесс МГТУ ГА, о чем имеются соответствующие акты внедрения.

Публикация и апробация результатов работы.

Основное содержание работы опубликовано в 45 работах автора, среди которых 8 статей в сборниках, входящих в определенный ВАК РФ перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, выпускаемых в Российской Федерации, в которых должны быть опубликованы научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук и 21 работа в издательствах стран дальнего зарубежья. Список приведен в конце автореферата.

Основные результаты, изложенные в диссертации, были доложены на следующих конференциях:

МНТК "Современные научно-технические проблемы ГА", Москва, апрель 1999г.; НТ Семинар "Концепция создания интегрированного оборудования, навигации, посадки, связи и наблюдения", Москва, декабрь 2000г.; МНТК "Гражданская авиация на рубеже веков", Москва, май 2001г.; IV МНТК АВИА-2002, Киев, апрель 2002г.; V МНТК АВИА-2003, Киев, апрель 2003г.; МНТК "Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества", Москва, май 2003г.

Объем и структура диссертации.

Диссертация состоит из Введения, трех глав, Заключения, списка литературы и двух Приложений. Она изложена на 339 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков и 15 таблиц. Список использованной литературы, содержит 211 наименований.

Во Введении обоснована актуальность выполняемых исследований, сформулированы цели и описана практическая значимость диссертационной работы. Отмечена научная новизна результатов, указано, где опубликованы основные результаты и где проходила апробация работы и какие результаты выносятся на защиту.

Первая глава посвящена анализу возможностей использования микроволновой радиометрии в качестве средства для построения автономных средств обеспечения навигации и выбора возможных мест посадки воздушных судов.

Приводятся общие сведения о принципах использования радиометрии для решения широкого класса задач, связанных с исследованием окружающей среды, с дистанционным зондированием и распознаванием объектов наблюдения.

Проводимый анализ начинается с исследования вопросов, связанных с оценкой информативности радиометрических измерений, под которой понимается совокупность сведений о состоянии, электрофизических и геометрических характеристиках наблюдаемых объектов. Как известно, если при выделении информационного параметра принимаемого радиоизлучения учитывается характер изменения неинформационных параметров, тогда точность оценки информационных параметров увеличивается. Причем эта точность будет тем выше, чем больше число учтенных неинформационных параметров, а поэтому в работе особое внимание уделяется учету поляризационных параметров радиоволны, переносящей полезную информацию.

В работе показывается, что количество взаимной информации между множеством состояний и реализациями после приема радиосигнала определяется как разность между априорной информативностью источника сообщений (энтропия источника до приема сообщений) и апостериорной информативностью этого источника и может быть выражена в следующем виде:

,

из которого видно, что увеличение числа параметров из общего числа увеличивает информативность обработки сообщений. При этом, чем больше дисперсия параметра , тем больше информации получает потребитель. Приведенное рассмотрение носит общий характер и использует понятие "информативность" в смысле Шеннона.

В работе в качестве неинформационного параметра рассматривается комплексное значение фазора принимаемой радиоволны и показывается, что плотность распределения его модуля имеет вид:

где

;

- дисперсии сигналов излучения и шумов по вертикальной и горизонтальной компонентам принимаемой ЭМВ.

Для излучений альтернативных объектов зондирования будем иметь, соответственно, значения и . В этом случае

.

Из приведенного соотношения достаточно наглядно видно, что информативность поляризационных параметров увеличивается по мере возрастания различия между и , что иллюстрирует рис.1.

Дальнейший анализ был связан с возможностью использования радиотепловых полей для получения соответствующих навигационных характеристик, необходимых для решения сформулированных выше задач.

Навигационные поля различной природы в настоящее время, в основном, описываются как скалярные поля. В то же время с каждым элементом разрешения можно связать значения радиояркостных температур на разных длинах волн (спектральный компонент), на различных поляризациях (поляризационный компонент), радиояркостные контрасты относительно реперного объекта (реперный компонент).



1. ; 2. ; 3. .

Pис.1 Зависимость информативности фазора от отношения дисперсий сигнала по вертикальной и горизонтальной компонентам ЭМВ.

Кроме того, если дополнительно учитывать время t, то все компоненты радиотеплового поля - суть функции в четырехмерном пространстве, а само радиотепловое поле по существующей классификации может быть отнесено к пространственно-временным полям.

В этой связи основное направление исследований, связанных с навигационными свойствами радиотепловых полей, определялось векторной (многомерной) природой радиотепловых полей и представляло собой следующий круг задач: разработка моделей векторных радиотепловых полей; определение наиболее информативных компонент радиотеплового поля и их комбинаций; разработка алгоритма, дающего возможность наилучшим образом использовать преимущества многокомпонентности радиотеплового поля при синтезе эталонных радиотепловых карт для решения навигационных задач.

Особенности оценки навигационных характеристик векторных радиотепловых полей связаны с двумя аспектами. Первый - с непосредственной разработкой конкретной микроволновой радиометрической навигационной системой, второй - с оценкой навигационной информативности радиотеплового поля и, в первую очередь, с оценкой отношения сигнал/шум и ожидаемой точности навигационной привязки, что определяется знанием соответствующих корреляционных характеристик.

После получения общих соотношений, касающихся навигационных характеристик радиотеплового поля (многокомпонентный случай), в работе детально анализируется двухкомпонентная ситуация, когда в качестве компонент выступают математическое ожидание радиояркостной температуры и ее среднеквадратическое отклонение.

Опираясь на введенные понятия отклонения сигнального вектора радиояркостных температур , измеряемого датчиком поля, от эталонного вектора и отклонения модельного и реального профилей от средних, удается получить в явном виде выражения как для искомого обобщенного "шума эталона", так и дисперсию обобщенного отклонения сигнального вектора от своего среднего значения, что дало возможность получить в замкнутом виде выражение для искомого отношения сигнал/шум.

В работе определяется функция взаимной корреляции эталонного и реального полей . Итоговое соотношение выражается через соответствующие смешанные моменты второго порядка для радиояркостной температуры и для среднеквадратичного отклонения , а также через средние значения эталонного , и реального , полей:

.

Из приведенного выражения видно, что в первом приближении нормированная взаимная корреляционная функция отождествляется со средним арифметическим взаимных функций корреляции каждой из ортогональных компонент. В силу того, что речь идет о случайных независимых и примерно одинаково распределенных величинах, то среднеквадратическое отклонение их суммарного распределения примерно в раз (где n - число слагаемых) меньше соответствующей величины отдельного распределения и, таким образом, зависимость оказывается более точной.

В качестве примера в работе приводятся значения коэффициента корреляции для участка трассы в зоне лесостепи с болотом, заболоченностями и населенным пунктом (табл.1).

Для перечисленных объектов характерны высокие значения среднеквадратического отклонения радиояркостной температуры, что наряду со средним значением температуры также является информативным признаком. Для конкретной трассы использование двухкомпонентного векторного поля позволяет получить более высокие навигационные характеристики, чем в случае скалярного поля. Приведенные сведения достаточно убедительно свидетельствуют в пользу того, что применение радиометрической аппаратуры на борту летательного аппарата позволит решать навигационные задачи автономным образом, не используя соответствующее наземное оборудование.

Таблица 1

	Проф. 1	Проф. 2	Проф. 3	Проф. 4
Относительная длина участков в %: - водоёмы, - болота и заболоченные участки - населённые пункты	14,8 16,9 3,8	- 7,0 6,1	15,5 20,5 3,5	- 7,7 6,7
Экспериментальные значения радиояркостных температур в К: - болота и заболоченные участки - населённых пунктов	256,7 255,1	264,1 255,1	210,2 250,5	228,2 250,0
Максимальное значение коэффициента корреляции	0,985 0,984	0,836 0,774	0,925 0,875	0,640 0,617

Общепринятое описание радиотеплового излучение при помощи матрицы когерентности не является удобным для решения задач идентификации различных типов земной поверхности, т.к. содержит только характеристики принимаемого электромагнитного поля, а не выражается через измеряемую на практике радиояркостную температуру и, следовательно, в явном виде не содержат информации о параметрах излучения порождающего его объекта (электрофизических свойствах и шероховатости). В этой связи более целесообразным является описание поляризационных свойств радиотеплового излучения посредством матрицы потерь (МП), которая выражается через характеристики самого объекта: полная излучательная способность (полная температура), степень (поляризационной) анизотропии , кажущуюся степень (поляризационной) анизотропии и угол поляризации объекта . Таким образом, из поляризационных радиометрических измерений различных типов земных покровов ничего иного, кроме как угловой или временной зависимости названной четверки чисел получить нельзя. Эти четыре характеристики являются основой идентификации излучающих объектов, которая в конечном итоге сводится к различимости в соответствии с выбранным критерием двумерных фигур в четырехмерном пространстве. Один из вариантов записи матрицы потерь показан ниже:

.

Однозначность идентификации различных типов поверхностей будет обеспечена в случае, если пространственные кривые, соответствующие рассматриваемым объектам не будут пересекаться, или, иначе говоря, не будут перекрываться их "поляризационные образы".

При решении задач практической радиометрии, основанной на поляризационных измерениях, наибольший интерес представляют вопросы экспериментального определения совокупности перечисленных четырех характеристик и выражение ее элементов через измеряемые радиояркостные температуры. В работе показано, что для их определения необходимо и достаточно проведение измерений радиояркостной температуры на любых четырех поляризациях, "образы" которых не лежат на одном большом круге сферы Пуанкаре. Такими поляризациями, в частности, могут быть: горизонтальная (Г), вертикальная (В), линейная с углом наклона 45°(Н) и круговая (К). Знание этих температур дают возможность определить для излучающего объекта, имеющего термодинамическую температуру ,:

-полную температуру

,

-степень анизотропии:

,

-кажущуюся степень анизотропии:

,

-угол поляризации объекта:

.

Таким образом, полный поляризационный анализ можно провести по четырем поляризационным измерениям с одного направления наблюдения объекта. В работе рассматривается вопрос о достаточности таких четырех измерений для решения обратных задач - определения электрофизических и геометрических свойств подстилающих поверхностей. Для описания электрофизических свойств поверхности обычно используют ее комплексную диэлектрическую проницаемость

и термодинамическую температуру . Геометрические же свойства поверхности описываются с помощью двух параметров: угла наклона поверхности и угла скрутки.

Итого, в общем виде, обратная задача сводится к определению по четырем известным параметрам: пяти неизвестных параметров: , и углов наклона поверхности и скрутки. Для ее решения необходим поиск дополнительных, независимых уравнений: путем проведения дополнительных поляризационных измерений или осуществлением дистанционного зондирования одной и той же поверхности с двух направлений. Обычно предпочтение отдается второму пути, что объясняется сравнительной простотой технической реализации. Правда при этом имеет место информационная избыточность, т.к. для определения пяти неизвестных параметров имеется восемь независимых уравнений. Этот факт позволяет отказаться от одного из поляризационных измерений, что существенно упрощает техническую реализацию радиометров для решения обратных задач. Кроме того, в пользу отказа от одного из поляризационных измерений свидетельствует также тот факт, что в пределах "антенного пятна" земная поверхность обычно изотропна в боковых направлениях. Это влечет за собой то, что средняя интенсивность излучения такой поверхности одинакова на правой и левой круговых поляризациях. Следовательно, собственная поляризация такой поверхности является линейной и от измерения на круговой поляризации можно отказаться.

Таким образом, при исследовании земной поверхности чаще всего можно считать, что радиотепловое излучение характеризуется тремя поляризационными параметрами - радиояркостными температурами на вертикальной, горизонтальной и линейной наклонной (45-градусной) поляризациях. Это можно отобразить матрицей потерь в виде:

.

Значения, а также изменения в процессе излучения радиояркостной температуры подстилающих поверхностей позволяют делать заключения о свойствах тех объектов, радиотепловое излучение которых принимается радиометром. Однако решение таких задач наталкивается на очень серьезные трудности. Прежде всего, это связано с тем, что функциональные связи параметров зондируемых объектов с параметрами радиотеплового излучения являются неоднозначными, что существенно затрудняет интерпретацию полученных данных. Тем не менее, в литературе имеется достаточно много результатов, из которых следует возможность однозначной интерпретации изменения радиояркостной температуры и свойств зондируемого объекта. В работе приводятся большое число конкретных примеров, иллюстрирующих однозначную связь радиояркостных температур, измеренных на различных поляризациях, с различными свойствами ряда подстилающих покровов (морской лед, различные типы почв, морская взволнованная поверхность) такими как возраст льдов, соленость почв, взволнованность морской поверхности.

К числу одного из наиболее существенных факторов, обуславливающих точность классификации различных типов земной поверхности, следует отнести влияние атмосферных явлений, который в наименьшей степени поддаётся учёту и прогнозированию. Этот факт повышает априорную неопределённость в задачах распознавания различных типов объектов и снижает достоверность их правильной классификации. Именно поэтому анализ влияния атмосферы на точность идентификации поверхностей по их радиотепловому излучению является одной из важнейших проблем современной радиометрии.

Влияние метеорологических условий на работу радиометров существует в той или иной степени в безоблачной атмосфере и становится существенным при наличии облаков и осадков. Это влияние проявляется двояким образом. Во-первых, атмосфера ослабляет проходящее через неё излучение и, во-вторых, сама является источником тепловых шумов, величину которых принято характеризовать радиояркостной температурой атмосферы на уровне земли. Наиболее сильно шумы атмосферы сказываются в коротковолновой части сантиметрового и в миллиметровом диапазонах длин волн. Диапазон радиояркостных температур меняется от единиц кельвинов для сантиметровых волн до десятков кельвинов для миллиметровых.

В работе приводится краткий обзор имеющихся в литературе общих сведений о соответствующих характеристиках атмосферы. В частности, обращено внимание, что вариации радиояркостной температуры могут изменяться от единиц процентов до своего среднего значения. Радиус пространственной корреляции вариаций радиояркости достигает 50 - 200 метров, а интервал временной корреляции, как правило, превышает 5 - 10 сек. Зависимость интенсивности вариаций от частоты имеет приблизительно квадратичный характер. Временная функция корреляции вариации радиояркости составляет 50 - 150 сек., а радиус пространственной корреляции охватывает интервал от нескольких сот метров до нескольких километров.

Флуктуации собственного излучения имеют порядок и выше, что превышает порог чувствительности современных радиометров.

Важно отметить, что коэффициент передачи атмосферы является необходимым параметром при определении точностных характеристик радиометра. Для определения пределов разрешающей способности изображения, в работе определяются минимальные значения температуры (разрешающая способность по температуре) и минимальный пространственный размер (разрешающая способность по пространству), которые могут быть определены. В работе показывается, что, если минимальная температура, обнаруживаемая радиометром с учётом атмосферы, а - без ее учета, то влияние метеорологических условий на разрешающую способность по температуре приводит к следующим равенствам:

, если " F и ,

если " F, где - произведение излучательной способности исследуемого объекта на коэффициент передачи атмосферы, а F - ширина главного лепестка диаграммы направленности антенны. Это иллюстрируется на рис. 2 и 3.



Как видно, метеорологические условия существенным образом влияют на работу радиометров, значительно ухудшая их характеристики. Таким образом, к основным результатам и выводам первой главы следует отнести: для решения задач идентификации различных типов земной поверхности при выборе мест посадки воздушного судна, целесообразно использовать для описания поляризационных свойств излучения матрицу потерь, которая с точностью до постоянного множителя совпадает с матрицей когерентности; для нахождения всех элементов матрицы потерь необходимо проведение измерений радиояркостной температуры на любых четырех поляризациях, "образы" которых не лежат на одном большом круге сферы Пуанкаре. Такими поляризациями, в частности, могут быть: горизонтальная, вертикальная, линейная с углом наклона и круговая; шумовое воздействие атмосферы наиболее сильно сказывается в коротковолновой части сантиметрового и в миллиметровом диапазонах длин волн, причем в миллиметровом диапазоне имеется ряд "окон", где поглощение радиотеплового излучения и шумы атмосферы минимальны; при определении точностных характеристик радиометра необходимо учитывать коэффициент передачи атмосферы; чем больше дисперсия выделяемых параметров радиотеплового излучения, тем выше информативность измерений радиометром; для анализа навигационных свойств пространственно-временного поля, каковым является радиотепловое поле можно использовать моменты первого и второго порядка; навигационные свойства радиотепловых полей определяются отношением сигнал/шум, радиусом корреляции радиотеплового поля, устойчивостью соответствующего эталона или возможностью его адекватной коррекции для конкретных условий.

Обоснованию возможностей обнаружения навигационных ориентиров на земной поверхности методами микроволновой радиометрии посвящена вторая глава диссертации.

Конечной целью применения методов микроволновой радиометрии для решения навигационных задач является решение задачи распознавания зондируемых объектов, а также оценка их электрофизических характеристик. При этом основная задача распознавания состоит в том, чтобы определить, к какому классу принадлежит исследуемый объект. При решении задач распознавания приходится иметь дело с набором объектов, разделенных по тем или иным признакам на непересекающиеся множества (классы).

В работе с позиций целесообразности использования для решения навигационных задач при помощи микроволновой радиометрии анализируются различные методы принятия решений. Среди них детерминированные методы, к которым относятся методы, основанные на понятии решающей функции, и методы, основанные на понятии расстояния в пространстве признаков (методы "одного из N ближайших соседов"), и статистические методы, опирающиеся на понятие Байесовского классификатора такие, как классификаторы по критерию Неймана-Пирсона, последовательные, непараметрические и динамические).

Математически задача классификации объектов может быть сформулирована следующим образом.

Пусть набор означает классов, подлежащих распознаванию и пусть - вектор значений признаков. Тогда решающая функция , относящаяся к классу объектов , в случае, если объект из множества М, представляемый вектором признаков принадлежит к классу , должна быть максимизирована.

Применительно к исследуемым земным поверхностям и их классификации к множеству объектов в данном случае могут относиться: морская поверхность, морской лед, почва, пустыня, лесные массивы и т.д. Соответственно каждый из перечисленных объектов может быть отнесен к соответствующему классу из множества . Например, если рассматривается как объект морской лед, то он может быть разделен на классы: однолетний, двухлетний, многолетний. Если рассматривать почву, то она также легко разбивается на классы: пашня; почва, покрытая молодой растительностью; почва с максимальна развитой растительностью, стерня и т.д.

Для рассматриваемой задачи вектор признаков объекта связан с измеряемыми параметрами, т.е. с радиояркостной температурой. Если рассматриваются морские льды, то признаками многолетнего или однолетнего и т.д. являются значения радиояркостных температур, измеренных при разных частотах зондирования поверхности на разных поляризациях и при разных углах зондирования, Например, если измерения выполнены на двух линейных поляризациях при пяти частотах зондирования и при трех углах измерения, тогда общее число признаков составляет тридцать. При использовании кросс - поляризационных измерений число признаков заметно увеличивается, причем кросс-поляризационные измерения очень часто оказываются существенно более информативны, чем измерения на основных поляризациях радиотеплового излучения. Однако, что во многих случаях указанных тридцати признаков может быть слишком много для вынесение соответствующих заключений. Например, чтобы уверенно различать однолетний и многолетний лед, достаточно провести измерение на одной частоте при двух разных поляризациях, так как даже на одной поляризации при радиояркостные температуры различаются от до для однолетнего льда, от до для многолетнего при измерениях в диапазоне частот от 12 до 18 ГГц.

При решении навигационных задач, связанных с ориентацией на реперные объекты, важную, если не решающую, роль играет достоверность их классификации.

В общем случае достоверность определяется степенью отклонения полученного результата от истинного его значения. В качестве истинного результата могут использоваться априорные результаты (аэрофотосъемка, топографические карты, другие данные). В качестве показателя достоверности поэтому можно использовать ошибку между значениями, характеризующими признаки объекта, полученные в результате измерений, и их истинными значениями. Иными словами, оценка проводится по разности между апостериорным и априорным векторами признаков объекта .

Любое отклонение вектора измеренных значений признаков объекта от истинных уменьшает достоверность принятого решения, что вызывает некоторые потери, что можно оценивать функцией потерь . В соответствии с выбором функции потерь будут определяться соответствующие показатели достоверности принятых решений.

По числу классов в алфавите задачи распознавания делятся на двухклассовые и многоклассовые. В качестве принципа классификации могут быть использованы следующие подходы: характер основной задачи, для решения которой предназначен данный класс объектов, его характер симметрии, геометрические и физические особенности и т.д.

Следует отметить, что многоклассовую задачу практически всегда можно свести к двухклассовым последовательным задачам. Например, многоклассовая задача по классификации морских льдов всегда может быть сведена к последовательности двухклассовых задач. Для этого сначала решается задача классификации морского льда как многолетнего или однолетнего. В этом случае задача классификации, по существу, превращается в задачу селекции двух объектов, решение которой, как правило, проще, чем прямая задача классификации объектов. В дальнейшем однолетние льды можно классифицировать на белые и серые льды и т.д.

Аналогично можно рассматривать процедуру зондирования сельскохозяйственных угодий и лесных массивов. В этом случае необходимо только выбрать укрупненные классы зондируемых поверхностей. Например, для лесных массивов различать лиственный лес и хвойный, а затем редколесье и густой лес и т.д. То же можно сделать для сельскохозяйственных структур, разделяя их по укрупненным классам: посевы типа зерновых, либо посевы типа кукурузы и т.д.

Общие методы решения задачи радиометрической классификации объектов для всех случаев неизвестны. Ее можно решать на основе комплексного подхода, включающего в себя физико-математическое моделирование процесса классификации объектов и эвристико-аналитических методов решения частных задач классификации. Применяя такой подход, можно путем последовательных приближений в условиях заданных ограничений обеспечить эффективность процедуры классификации, близкую к максимальной.

Повышение достоверности классификации объектов требует принятия во внимание как можно большего числа признаков объектов, которые выражаются через параметры принимаемой ЭМВ, в частности, через поляризационные параметры.

В качестве таких параметров могут выступать: параметры Стокса, поляризационный фазор, поляризационный "образ" и т.д. Эти признаки зависят от выбора поляризационного базиса и поляризации принимаемой радиоволны. Всегда существуют некоторый базис и некоторый вид поляризации, при которых различие в поляризационных характеристиках отраженной волны будет максимальным. Поиск такого базиса и поляризации радиоволны являются основной задачей при классификации объектов.

Наибольшее распространение получили методы радиометрической классификации по поляризационным образам. (Поляризационным образом называется зависимость радиояркостной температуры от поляризационного состояния принимаемой радиоволны). Эти характеристики строятся в трехмерном пространстве. По осям откладываются радиояркостная температура, угол эллиптичности и угол ориентации плоскости поляризации. Получаемые объемные фигуры дают пространственный поляризационный образ объекта. Наличие соответствующего банка данных поляризационных образов дает возможность проводить классификацию объектов.

Анализ поляризационных образов показывает их заметное отличие для различных поверхностей. (Принятые модели учитывают варианты сглаженной поверхности, слабо и сильно шероховатой, смешанных поверхностей и других). При помощи поляризационных образов можно делать заключение о типах подстилающих поверхностей. Одним из вариантов поляризационного образа является использование коэффициента поляризации и его изменения в зависимости от вида зондируемой поверхности. Это иллюстрируется рис. 4-6.



Одна из возможностей поляризационной классификации объектов состоит в использовании матрицы потерь. Полная информация об объекте, рассматриваемом в качестве стабильной цели, содержится в четырех ее характеристиках, указанных в первом разделе.

В этом случае каждому объекту будут соответствовать некоторые четыре функции, зависящие от полярных координат цели. Они изменяются при взаимном перемещении антенны радиометра и объекта. Таким образом, объекты, рассматриваемые в качестве стабильных целей, в произвольный момент времени можно классифицировать набором четырех чисел. Упрощенную классификацию часто проводят по одному числу - степени поляризационной анизотропии - r, меняющейся в пределах от 0 до 1. Этот параметр удобен потому, что он является инвариантом по отношению к выбору поляризационного базиса.

Как показано выше, любой объект может быть классифицирован по степени его поляризационной анизотропии. Для двух предельных значений r вводятся два типа предельных объектов, при , говорят об изотропных объектах, при - о вырожденных объектах.

В качестве иллюстрации приведем численные значения степени поляризационной анизотропии для некоторых типов объектов дистанционного зондирования (в сантиметровом диапазоне волн): лес (безветренная погода) - - изотропный объект; кукуруза - ; лесной массив (сильный ветер) - ; уголковый отражатель на фоне лесного массива -; кукурузная стерня - ; пашня - . Приведенные данные по численным значениям степени поляризационной анизотропии можно отнести к априорным.

Рассмотренные принципы и методы классификации были использованы для решения задач по различению различных типов поверхностей в микроволновой радиометрии по конкретным экспериментальным данным.

В данной главе работы приводятся результаты литературного обзора по применению микроволновой радиометрии для определения типов подстилающих поверхностей, их электрофизических и геометрических характеристиках. Приведенные данные убедительно свидетельствуют о достоверности и надежности решения задач такого рода, что позволяет не только теоретически утверждать, но и доказать практическую возможность обнаружения и осуществления навигационных привязок к различным объектам, используемых в качестве реперных точек, определения типов подстилающих поверхностей и их электрофизических и механических характеристик. Основная иллюстрация проводилась на примерах морских льдов, выбранных в качестве объектов, имеющих большой набор характеристик, влияющих на радиояркостную температуру, а также на примерах некоторых типов земных покровов и растительности.

В качестве иллюстрации можно привести некоторые из имеющихся в диссертации материалов. Так, для морских льдов характерно наличие устойчивой статистической связи электрических свойств деятельного слоя с возрастом льда. Это дает возможность различать льды по возрасту в зависимости от их радиояркостных температур и, следовательно, судить об их толщине. В сантиметровом диапазоне волн наблюдается достаточно стабильные значения средних значений радиояркостных температур при их малых средних квадратических отклонениях для таких структур как однолетний лед толщиной более 10 см , многолетний лед , морская вода и т.д.

Возможен радиометрический метод определения толщины морского льда с малой соленостью . Для этого используется зависимость радиояркостной температуры от толщины льда при предположении о том, что соленость и термодинамическая температура поверхности слоя известна. Ошибка в определении толщины льда не превышает 10 - 20 см.

Приведем некоторые результаты, касающиеся земных поверхностей.

На частотах выше 10 ГГц растительный покров может рассматриваться как полубесконечная однослойная среда, при этом излучение формируется практически только растительным слоем. На частотах ниже 10 ГГц, необходимо использовать двухслойную модель, для того чтобы учитывать вклады как от растительности, так и от почвы.

Радиояркостная температура растительности на частоте 10 ГГц почти не зависит от угла падения , особенно при . а вертикальной поляризации она в среднем примерно на выше, чем на горизонтальной поляризации и слабо чувствительна к различиям между разными типами сельскохозяйственных культур.

Экспериментальные измерения излучения, создаваемого почвой без растительности, показывают, что яркостная температура снижается примерно по линейному закону с повышением содержания влаги в почве.

Приведем некоторые результаты по оценке излучающих характеристик поверхностей в миллиметровом диапазоне длин волн, которые показаны в табл. 2.

Таблица 2

	= 10 cм; влажность почвы 75%	редкая трава, = 60 см, земля покрыта слоем воды
35 ГГц	вертикал. горизонт.	0,91 0,88	0,72 0,60
94 ГГц	вертикал. горизонт.	0,90 0,88	0,76 0,68

Здесь также имеют место достаточно устойчивые средние значения радиояркостных температур при их малых средних квадратических отклонениях.

Болотистые участки, покрытые слоем воды, дали несколько большее значение излучающей способности на частоте 94 ГГц, чем на частоте 35 ГГц. При всех измерениях, как на частоте 35 ГГц, так и на частоте 94 ГГц, излучающая способность для горизонтальной составляющей поляризации была несколько ниже, чем излучающая способность для вертикальной составляющей поляризации для влажной почвы (3%) и болотистых участков, покрытых слоем воды (12%).

Радиояркостная температура почвы незначительно увеличивалась с увеличением угла скольжения от 33 до 51 градуса. Это небольшое изменение сопоставимо с изменением любой другой регистрируемой совокупности данных. Поэтому при изменении угла в данных пределах, зависимость от угла не должна считаться особенно важной.

Приведённые в данной главе результаты свидетельствуют о том, что с помощью радиометров с достаточно высокой точностью можно определять состояние земной поверхности с борта летательного аппарата. Сильная зависимость радиояркостной температуры от содержания влаги в почве позволяет оценивать твёрдость покрытия для выбора возможных мест посадки летательного аппарата в местах, для этого не предназначенных, для выбора мест десантирования грузов и людей и для других возможных целей. Аналогичные выводы можно сделать и в отношении ледово-снежных покрытий, где радиояркостная температура в значительной степени зависит от толщины покрова и от содержания в нём жидкой фазы. Соответственно, обрабатывая в реальном масштабе времени данные радиотепловых измерений, можно строить радиояркостную (цветную) карту подстилающей поверхности для выбора мест, которые необходимы для решения поставленной задачи перед летательным аппаратом.

Следующий круг задач, решаемых в диссертации, связан с проблемой обнаружения наземных навигационных ориентиров. Центральное место занимает задача классификации (идентификации) наземных навигационных ориентиров с помощью измерения радиояркостных температур на основе использования алгоритмов (калмановской) фильтрации.

С этой целью в предположении, что все процессы могут быть описаны линейными зависимостями, используется уравнение состояния, отражающее переход системы от времени ко времени и учитывающее при помощи квадратной размером SxS матрицы перехода , отражающей физические процессы происходящие c поверхностями за время последовательных отсчетов времени от n к (n+1), и белый шум, действующий в системе, записываемый в виде вектора-столбца V размером (Sх 1). С учетом сказанного уравнение состояния имеет следующий вид:

.

Кроме того, составляется уравнение наблюдения:

,

где - матрица размерностью (mxS), относящаяся к S состояниям поверхности и к m измерениям .

Решение приведенных уравнений проводилась на примере, когда состояние системы описывалось при помощи вектора-столбца X(n) размерностью (Sх 1) для случая четырех (S=4) возможных состояний системы (поверхностей наблюдения) - открытая вода, однолетний лед, двухлетний лед и многолетний лед. Это иллюстрирует матрица :

,

где - есть - компонент для поверхности типа ("о", "в", "д", "м").

В свою очередь для используем уравнения линейной регрессии типа:

,

где - некоторые коэффициенты, а - радиояркостная температура -ой поверхности.

Показано, что устранение возникающей при проведении идентификации навигационного ориентира неопределенности решает использование измерений на разных видах поляризации, чем достигается высокая достоверность измерений и повышается вероятность правильной классификации, т.е. повышается эффективность алгоритма классификации (идентификации).

В качестве классификационных признаков при решении задачи распознавания различных типов земной поверхности выступают электрофизические свойства излучающей среды и геометрические свойства поверхности. Для земной поверхности, прежде всего, характерно большое разнообразие видов подстилающих покровов и сложность их строения. По этой причине получение расчетных соотношений, связывающих поляризационные параметры с электрофизическими и геометрическими свойствами идентифицируемых поверхностей, является затруднительным и, как правило, определяется правильным выбором соответствующих электродинамических моделей. Особый интерес при этом представляет учет влияния геометрической неоднородности на поляризационное состояние радиотеплового излучения земных поверхностей.

В диссертации для получения модельных оценок влияния неровностей на характеристики поля излучения используются, главным образом, два подхода к решению задачи о взаимодействии электромагнитных волн с неровной поверхностью. Первый подход основан на решении задачи о рассеянии поля в верхнюю полусферу применительно к модели среды с конечной проводимостью, второй сводится к дифракционной задаче о распределении поля в среде при работе антенны на передачу.

В результате решения соответствующих задач было установлено, что влияние шероховатости поверхности приводит к наличию поляризованной компоненты в радиоизлучении поверхности даже при наблюдении ее в надир, при этом возможны повороты эллипса поляризации при анизотропной неровности границ раздела сред. Эти эффекты отсутствуют при изотропных неровностях. При определенных углах визирования исчезает различие сред с плоской и шероховатой границами, т.е. излучательная способность объекта будет определяться только его диэлектрической проницаемостью. Этот факт крайне важен с точки зрения повышения достоверности проводимых измерений.

В некоторых случаях на горизонтальной поляризации и, за редким исключением, на вертикальной имеются отличные от нуля значения угла визирования, при которых приращения коэффициентов излучения на горизонтальной и вертикальной поляризациях отсутствуют. В этом случае, исчезает различие излучения сред с плоской и шероховатой границами, т.е. радиояркостная температура в этих направлениях определяется только диэлектрической проницаемостью среды и не зависит от шероховатостей поверхности. Этот факт представляется важным для дистанционного определение электрофизических, а с их помощью механических характеристик подстилающих поверхностей. Таким образом, к основным результатам и выводам второй главы следует отнести: среди детерминистских методов классификации объектов метод " ближайших соседей", а среди стохастических - динамические методы на базе применения алгоритмов калмановской (или нелинейной марковской) фильтрации. При наличии достаточной априорной информации возможно применение модернизированных байесовских алгоритмов классификации, где под модернизированными алгоритмами подразумеваются алгоритмы, учитывающие наличие погрешностей в исходных данных; методы радиотепловых измерений позволяют получать такие электрофизические и механические характеристики объектов, с помощью которых можно определять возможность осуществления посадки воздушного судна в местах, для этого не предназначенных, решать вопрос о возможности десантирования людей и грузов, а также рисовать с помощью компьютерных систем цветные радиотепловые карты местности с целью выявления наземных навигационных ориентиров для проводки воздушного судна по заданным маршрутам; обязательным условием при решении перечисленных выше задач является применение методов радиополяметрии при проведении измерений радиотепловых полей, причем желательно учитывать как можно больше поляризационных параметров принимаемого радиотеплового излучения, т.к. это напрямую влияет на точность и достоверность радиометрических измерений; влияние шероховатости поверхности может приводить к тому, что излучение становится эллиптически поляризованным и возможны повороты эллипса поляризации при анизотропной неровности границ раздела сред.

Третья глава посвящена решению задач, связанных с возможностями микроволновой радиометрии для обеспечения навигации воздушных судов.

Требуемые навигационные характеристики (ТНХ) определяются нормативными документами ИКАО и вводятся, как показатель точности выдерживания навигационных характеристик, необходимых для выполнения полетов в пределах установленного воздушного пространства. Навигационные характеристики и требования устанавливаются для конкретного типа ТНХ или (и) его применения. Тип ТНХ основывается на значении точности выдерживания навигационных характеристик по продольному и боковому направлениям, которые обеспечиваются в течение, по крайней мере, 95% времени всеми летательными аппаратами, выполняющими полет в пределах установленного органом УВД воздушного пространства. При этом можно считать, что 95% отклонений содержатся в приделах круга, центром которого является заданное местоположение воздушного судна, а радиусом - значения типа ТНХ.

Для задач, рассматриваемых в настоящей работе, микроволновая радиометрия, может оказаться достаточно эффективным средством при использовании двух типов ТНХ 12,6 и ТНХ 20, где требования по горизонтальной точности в 37,0 км следует считать минимально возможными, а требования в 23,3 км - максимально возможными.

Несмотря на широкие исследования особенностей радиотеплового излучения, для разработки методов интерпретации спектральных и поляризационных измерений покровов суши и морской поверхности с целью решения задач дистанционного зондирования и обнаружения объектов зондирования эти вопросы рассматривались применительно к отдельным элементам разрешения. Экспериментальные исследования радиотепловых полей земных покровов проводились, в основном либо со спутников, либо с самолётов-лабораторий на больших высотах полёта, не позволяющих получить достаточно высокое для определения навигационных характеристик радиотепловых полей линейное разрешение на местности. А в случае съёмки радиотеплового изображения при полётах летательного аппарата на малых высотах (не превышающих 1 км), как правило, не осуществлялась точная привязка радиометрических данных ко всему объектовому составу, которая также необходима при анализе навигационных характеристик радиотепловых полей.

Имеющиеся в литературе отдельные сведения и результаты обработки экспериментального материала, приведённые в настоящей главе, позволяют получить определённое представление об общих характеристиках радиотепловых полей земных покровов применительно к навигационным задачам. Использованные при обработке экспериментальные данные (профили радиояркостных температур) были получены при пролётах вертолёта в зоне хвойно-мелколиственной лесостепи, пересечённой и холмистой местности. При этом, характеристики радиометрической аппаратуры были следующие: флуктуационная чувствительность радиометра, приведённая к постоянной времени 1с, составляла ; ширина диаграммы направленности антенны по уровню 3 дБ равна 5,5°; рабочая длина волны 0,8 см.

В рамках выполнения настоящей работы, при непосредственном участии автора, был разработан макетный вариант бортового радиометра, имеющий следующие основные технические характеристики: семь диапазонов, многополяризационность, 12 каналов, диапазон шумовых температур парциальных приемных каналов: (1000-1500К), чувствительность 0,5 К/с.