Прохождение радиолокационного сигнала через осадки и его отражение от наземных объектов

2007

НА УЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА сер. Радиофизика и радиотехника

№ 117

УДК 621.396

ПРОХОЖДЕНИЕ РАДИОЛОКАЦИОННОГО СИГНАЛА ЧЕРЕЗ ОСАДКИ И ЕГО ОТРАЖЕНИЕ ОТ НАЗЕМНЫХ ОБЪЕКТОВ

А.Д. ЯМАНОВ

Статья представлена доктором физико-математических наук, профессором Козловым А.И.

Произведено теоретическое описание прохождения сигнала радиолокационной станции обзора летного поля миллиметрового диапазона в условиях осадков и мешающих отражений подстилающей поверхности.

Радиолокационные станции обзора летного поля (РЛС ОЛП) предназначены для дневных и ночных наблюдений за самолетами, автомобилями и другим транспортом, движущимся и находящимся на взлетно-посадочных полосах, рулежных дорожках, в местах стоянок самолетов, с целью обеспечения безопасности полета, взлета и посадки, движения самолетов по аэродрому, предупреждения столкновения движущегося автотранспорта со стоящими самолетами.

Радиолокационная станция должна обладать высокой разрешающей способностью, позволять определять местоположения целей с высокой точностью и воспроизводить все детали аэродрома таким образом, чтобы получаемая информация дополняла, а в условиях плохой видимости и заменяла визуальное наблюдение с диспетчерского пункта, позволяя эффективно управлять движением самолетов и транспортных средств (при условии их оборудования средствами связи). Количество же обслуживающих транспортных средств в районе нахождения и движения самолетов в крупных аэропортах превышает 100 единиц.

Обеспечение работоспособности в неблагоприятных погодных условиях, равно как и отображение устойчивой достоверной обстановки зоны аэропорта на индикаторе, является одной из важнейших задач, стоящих перед разработчиком и эксплуатирующими подразделениями ГА.

Высокая надежность, хорошая разрешающая способность РЛС ОЛП делают ее весьма ценным инструментом для решения задач контроля и наблюдения в условиях недостаточной видимости. Если такие условия возникают в результате наступления темноты, то РЛС ОЛП полностью обеспечивает требования радиолокационного наблюдения. В случае же плохой видимости, вызванной наличием метеообразований в виде тумана, дождя, снега, эффективность работы РЛС резко падает, уменьшается дальность действия, на экране появляется большое количество посторонних засветок от метеообразований. Причиной такого явления является поглощение энергии гидрометеорными частицами и рассеяние на капельках жидкости, кусочках льда, снежинках.

Для оценки ослабления миллиметровых волн в гидрометеорных преобразованиях, кроме знания соответствующих коэффициентов ослабления, необходимы дополнительные сведения о статистической повторяемости этих образований, а также данные об их пространственной структуре [1].

Также эффективность работы РЛС уменьшается за счет наличия интенсивных отражений от подстилающей поверхности и местных предметов. Названные отражения вызывают ухудшение характеристик обнаружения РЛС ОЛП, увеличивают количество ложных тревог и снижают качество радиолокационной информации [2].

Любая монохроматическая волна полностью поляризована и может быть бесчисленным множеством способов разложена на сумму произвольного числа полностью поляризованных волн. На практике часто имеют дело с разложением полностью поляризованных волн на некоторые ортогональные компоненты, которые не обязательно должны быть вещественными. В общем случае это могут быть некоторые комплексные ортогональные векторы.

Рассмотрим вопрос о разложении полностью поляризованной волны по двум комплексным ортам, лежащим в той же плоскости, что и анализируемая волна. Пара ортонормированных комплексных векторов è1 и è2 называется в этом случае поляризационным базисом и

обозначается [è1, è2 ]. Произвольный комплексный вектор É, компланарный ортам базиса (è1, è2 ), может быть разложен следующим образом:

É = ( Éè* ) èi +( É è2 )è 2 = £1é + (!) где скалярные произведения Éèj = E1 и Éè2 = E2 суть комплексные числа - проекции вектора É на “направления” ортов è1 и è2 соответственно. Будем называть E1 и Е2 комплексными координатами вектора É в базисе (è1, è2 ). Если вектор É описывает эллиптическую

поляризацию некоторой волны, то модули и аргументы комплексных координат являются амплитудами и фазами эллиптически-поляризованных ее компонент. Каждая компонента этой волны поляризована параллельно соответствующему орту базиса.

Поэтому уравнение (1) может трактоваться как разложение полностью поляризованной волны на две ортогональные полностью поляризованные компоненты, каждая из которых характеризуется своей амплитудой и своей фазой [3].

Представим поле у передающей антенны РЛС ОЛП в виде

Г Е Л

É =

прд

Е

V 2 J прд

Учитывая наличие метеообразований, поле у подстилающей поверхности будет иметь вид

(Е Л (Е Л

,

É =

пад

Е

V 2 J пад

= АЕпрд = А

Е

V 2 J прд

где

А =

Г е-“пя е Мі

g-“l2-ff g М2 Л

e-a21^ g jy21

-a22-^ jy22

матрица прохождения, обусловленная наличием

є“22" Є1" '"х

метеообразований на пути следования сигнала.

В данной матрице символом аі}. обозначается коэффициент затухания, в общем случае

случайная величина; а Н - расстояние от РЛС до цели.

В условиях однородности атмосферы случайный паразитный множитель, показывающий возникновение паразитной амплитудной модуляции сигнала за счет прохождения по трассе и

*-» -а," г і -|

определяемый затуханием электромагнитных волн, имеет вид е J [1].

В работе [1] на основе экспериментальных данных были получены значения коэффициентов затухания аі}. при различных погодных условиях в различных поляризационных базисах:

вертикальная - вертикальная (ВП-ВП), горизонтальная - горизонтальная (ГП-ГП), горизонтальная - вертикальная (ГП-ВП) и правый круг - левый круг (ПК-ЛК).

При падении электромагнитной волны на геофизический объект происходит рассеяние этой волны. Так как приемная и передающая антенны расположены вне ближней зоны цели, рассматриваемой как вторичный излучатель, то рассеянное поле, определяемое матрицей-столбцом Еотр , может быть найдено с помощью линейного преобразования

ГЕ Л Г¿12 ЇЕ1

É =

отр

, Е

V 2 J отр

V ^21

22

, Е

V 2 J пад

или É

S É„

“отр пад '

Для совпадающих приемной и передающей однопозиционной матрицей рассеяния цели [3].

антенн матрица S

называется

В зоне действия РЛС ОЛП кроме полезной цели с матрицей рассеяния вида

(V V ^

^ _ °ц11 ц12

ц V V

Vц21 °ц22 У

находятся и другие объекты, совокупность которых может быть охарактеризована матрицей рассеяния вида

=

( S S Л

°ф11 ф12

S S

Vф21 °ф22 у

Сигнал на входе приемного устройства определяется суммарной матрицей [2]

V _ ^ + £ц.

Отраженный от объекта сигнал попадает в приемно-передающую антенну РЛС ОЛП. Поле у антенны будет иметь вид

Ё _ £АА*Ё ,

прм прд’ V /

где А* - матрица прохождения, комплексно сопряженная матрице А, наличие которой обусловлено прохождением сквозь метеообразования отраженного сигнала в направлении, обратном передающему сигналу.

Учитывая особенности перемножения комплексно сопряженных матриц, выражение (7) можно привести к виду

^ -2опЯ ууи-ууи /Yi2_jyn Л f „-2a,,H „-2a,

E = SAA*É_ = S

прм

g " t11 J T11 e “ 12 g,

^ g-2a21H e jy21-jy21 g-2 a22H e jy22 — jy22 у

i -2a11H -2ai2H Л

прд

e 11 e

-2a21H -2a22H

Ve e у

E .

прд

В работе [2] представлена методика определения матриц рассеяния подстилающих покровов, представляющая собой функциональные зависимости между амплитудами отраженных сигналов и элементами и параметрами матриц рассеяния. Учитывая полученные в работе [1] значения коэффициентов затухания atj при различных погодных условиях в различных поляризационных базисах, задача радиолокационного обнаружения таким образом сводится к различимости цели с матрицей Sц и целей с суммарной (результирующей) матрицей

Sф, т.е. выделении Sц -объекта на “фоне” Sф -объектов.

ЛИТЕРАТУРА

1.Андреев Г.Н. РЛС обзора летного поля миллиметрового диапазона в сложных метеоусловиях. // Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.: МИИГА, 1984.

2.Устинович В.Б. Анализ поляризационных характеристик подстилающих покровов и использование его результатов для подавления мешающих отражений в трассовых РЛС УВД. // Дисс. на соискание ученой степени канд. техн. наук. М.: МИИГА, 1981.

3.Богородский В.В., Канарейкин Д.Б., Козлов А.И. Поляризация рассеянного и собственного радиоизлучения земных покровов. Л.: Гидрометеоиздат, 1981.

TRANSMITTING OF RADAR SIGNAL THROUGH WEATHER OBJECTS AND ITS REFLECTION

FROM EARTH OBJECTS

Yamanov A.D.

In paper there is realized the theoretical description of signal transmission of millimeter-wave band airfield surveillance radar when having the atmospheric precipitations and background returns of underlined surface.

Сведения об авторе

Яманов Антон Дмитриевич, 1984 г.р., окончил МГТУ ГА (2007), аспирант МГТУ ГА, область научных интересов - радиолокация.