Поляризационные характеристики подстилающих покровов в миллиметровом диапазоне волн

2007

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника

№126

УДК 621.396.96

ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОДСТИЛАЮЩИХ ПОКРОВОВ В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ВОЛН

А.Д. ЯМАНОВ

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

Произведено обобщение полученных экспериментальных данных зависимости эффективной площади рассеяния О от угла наблюдения 0 , времени наблюдения, типа подстилающего покрова, частоты сигнала и типа поляризации. Определены и проанализированы общие закономерности для подстилающих поверхностей в миллиметровом диапазоне волн.

В последние годы наблюдается повышенный интерес к применению миллиметровых волн (ММВ) в разных областях науки и техники. Диапазон ММВ представляет, пожалуй, единственную возможность функционировать радиолокационным, связным и другим системам на дальностях порядка нескольких километров вблизи поверхности земли, воды и других сильно отражающих границ раздела [2, 3].

В настоящее время миллиметровые волны находят все более широкое применения в задачах распознавания радиолокационных целей. Задача обнаружения радиолокационной цели, особенно движущейся на поверхности земли - крайне сложная: во многом из-за влияния подстилающей поверхности на сигнал на входе приемного устройства радиолокационной станции (РЛС). В то же время подстилающая поверхность сама по себе может являться объектом исследования, рассматриваясь в качестве радиолокационной цели. Решению проблемы идентификации цели на фоне подстилающей поверхности способствуют методы и устройства поляризационной селекции, однако, для этого необходимо знание поляризационных характеристик подстилающих покровов.

Анализ поляризационных характеристик подстилающих поверхностей различных типов в миллиметровом диапазоне волн, приведенных в работах [1-21], подтвердил зависимость эффективной площади рассеяния О от угла наблюдения 0 , времени наблюдения, типа подстилающего покрова, частоты сигнала и типа поляризации.

Вывод общих закономерностей для подстилающих поверхностей в миллиметровом диапазоне волн проводился для пяти типов покровов: гладких поверхностей, снега, льда, лесных массивов, а также травяных покровов и посевов сельскохозяйственных культур. Некоторые характерные зависимости ЭПР представлены на рис. 1-6.

Сводные сведения по экспериментальным зависимостям ЭПР для каждого типа подстилающей поверхности от угла наблюдения, времени наблюдения, поляризации радиоволны и частоты сигнала, представлены в таблице [1-21].

Рис. 1. Зависимости ЭПР от угла наблюдения, полученные на ВВ, ГГ и ПК (правый круг вращения) поляризациях при зондировании бетонной поверхности на частотах 8,6 ГГц (а) и 17,0 ГГц (б) [4]

Рис. 2. Спектральная зависимость удельной ЭПР люцерны [14]

О,дБ

Рис. 3. Зависимости ЭПР от угла наблюдения, полученные на ВВ, ГГ и ГВ поляризациях

при зондировании: а - однолетнего морского льда на частотах 17 ГГц [10]; б - многолетнего морского льда на частотах 17 ГГц [10]

Рис. 4. Зависимости ЭПР от угла наблюдения, полученные на ВВ, ГГ и ГВ поляризациях при зондировании сухого снежного покрова на частоте 140 ГГц [7]

Рис. 5. Зависимости ЭПР от угла наблюдения, полученные на ВВ, ГГ и ГВ поляризациях при зондировании посадок белого кедра на частоте 140 ГГц [7]

Рис. 6. Зависимости ЭПР от времени наблюдения (дни), полученные на ВВ, ГГ и ГВ поляризациях при зондировании посадок дуба на частоте 35 ГГц под углом в = 70° [7]

Таблица

Гладкие погсрхностн Снег Лед Лесные массивы Травяные покрою 1ы н посеп ы с/х культур

Углшая шнсишпь ЭПР о-ВБ ( о-гг 1 уменьшается с увеличением утла 0 уменьшается с увеличением утла 0 уменьшается с увеличением утла 0 уменьшается с увеличением утла 0 уме не- шае т: я с ув еличе шее м утла 0

^ГВ (^ЕГ 1 практически не зависит от 0 е широком диапазоне углов и заметно уменьшается лишь щщ 0 > 70° угловая зависимость р ас с е яния с уще с тв е н но МЕНЬШЕ утло в ая з ав ис имо сть рассеяния С уще С ТВ Е ННО МЕ НЬ Ш6 возрастает с увеличением утла 0

Зинсниость ЭПР от 1ременн наблюдения УВЕЛИЧЕНИЕ урОЕНЯ <7 В ЫЗ В ано ЗГЕ! ЕПИЧЕ ние м температуры и уровня содержания жидкой фазы в еле ДС ТЕ ие с ме ны времени суток НОСИТ СЕЗОННЫЙ характер вследствие таяния и з амв р з ания ль до в для лиственных деревьев хар а* :ге р но о т но с и теш- но медленное нарастание уровня ЭПР с весеннего по летний период и резкий спад значе шей <7 при наступлении осени, что вызвано интенсивным уменьшением лиственного покрова сезонные вариации удельной ЭПР о бъ яс няю тс я влияние м воды, содержащейся в верхних слоях посевов: чем больше концентрация влаги в р ас те ния х, те м в ыше з нач е н ие <7

Влняше шинфшацнн радномлны . ^ВВ 1 °ГГ 1 ^11 В С722 £Гц й* СТ22 <Тц на С22 <Тц СТ22 £7ц га <722

на ЭПР ^ПВ 1 ^БГ 1 меньшие значения ЭПР, особенно на малых углах е меньшие значения ЭПР меньшие значения ЭПР меньшие значения ЭПР, однако, с увеличением 0 (от 30 ) различие уменьшается

Частотная заинснмость ЭПР увеличение ЭПР с возрас таи ие м ча с то ты сигнала увеличение ЭПР и уменьшение разности ме ж ду з наче ниям и ^ЕВ 1 ^ГГ 1 И ^ГВ С в озр ас тан ие м ч ас то ты сигнала увеличение ЭПР с возрастанием частоты сигнала увеличение ЭПР и уменьшение р аз но с та ме ж ду з наче ниям и ^ЕЕ ' ^ГТ ' И ^ГЕ С в о зр ас тан ие м ч ас то ты с иг нала ЭПР практически не зависит от частоты излучения

Анализ представленных экспериментальных данных по поляризационным характеристикам подстилающих поверхностей различных типов в миллиметровом диапазоне волн позволяет сделать следующие выводы.

1. ЭПР на всех типах поляризации уменьшается с увеличением угла 0, однако, угловая зависимость рассеяния для кроссовой поляризации заметно меньше, чем для параллельной, особенно на малых углах наблюдения.

2. Колебания О с течением времени сугубо индивидуальны для каждого типа подстилающей поверхности и определяются либо изменением температуры и уровня содержания жидкой фазы вследствие смены времени суток и года (для снега и льда), либо сезонными изменениями уровня лиственного покрова (для растительных покровов). Для гладких поверхностей изменение величины ЭПР с течением времени не характерно.

3. При зондировании подстилающих поверхностей в миллиметровом диапазоне волн значения ЭПР на вертикальной СГдд и горизонтальной <7^ поляризациях практически равны и заметно больше значений ЭПР для кроссовой составляющей.

4. При увеличении частоты зондирующего сигнала характерно уменьшение разности ГГ(ВВ) и ГВ компонент и увеличение уровня ЭПР подстилающей поверхности.

5. Подстилающие поверхности при зондировании в миллиметровом диапазоне волн являются в общем случае поляризационно неизотропной средой.

Опираясь на полученные экспериментальные данные можно определить собственные элементы матрицы рассеяния (МР). Известно, что элементы МР цели в произвольном базисе могут быть найдены из равенств [22, 24, 25]:

"lle

-2ij

cos у + X^e sin y

"l2e

-2ij _ e2ine2lj

xy

-^e

"22e

—2ij _ — 2in 2ij

xy

хУ cln2,

2фХ

sin2 y+А2e cos2 Y

У

где j,h, jxy ,Y - параметры унитарной матрицы, а - собственные значения МР.

При вычитании квадратов модулей диагональных элементов в данном представлении (1):

2 2

"ll — "22 _ °ll— °22

откуда

Ч—х2)

°ll — °22 _ cos 2y .

Учитывая, что значения ЭПР подстилающих поверхностей практически идентичны (О11 » О22), выражение (3) можно привести к виду

соб2у = 0.

Поскольку исследуемые экспериментальные данные указывают на поляризационно неизотропный характер подстилающих покровов (степень изотропности q Ф 0), а суммарная ЭПР

также не может быть равна нулю, ООБ2у = 0. Таким образом, угол между точками на

сфере Пуанкаре, соответствующий поляризационному базису, где матрица рассеяния диаго-нальна, и базису, где проводятся измерения, принимает значения

2у = pi n + — I = —(1 + 2n).

2 I 2

Из[22]следует

откуда

= i-X., e 2ij + X„e2ij | sin у cosy = s12e2i^12

12 1 .

Г 2

= (^2+ ^2 - 2X^2 cos 4ф) sin2 y cos2y :

учитывая, что sin2 y cos2 Y = 1sin22Y = 1 (1 - cos2 2y), подставим это выражение в формулу (6), решая которую относительно 2ф, получим [23]

4s2

X2+ X2 - 2X1^2 cos4j =------------

1- cos 2y

X?+ X2---------12— = 2X1X_ cos4j = 2X1X_

1 2 1-cos22y 12 12

4s

12_______= '

2Y

или

cos 2ф:

Г

1 1

2 2X1X 2 _ V

4s

12

x2+X2- 2

1 2 1-cos22y

+1

откуда получаем

2ф = arccos

Г

1 1

2 2X1X2 _ V

x2+ x2 -

4s

12

1 - cos22y

+1

Из [22] известно, что инвариантами матрицы рассеяния являются полная ЭПР цели о

A =

11

2

+

22

2

+ 2

12

2

°11 + °22 + 2о12 °Х X2 + X2

и модуль определителя матрицы рассеяния цели:

„2

s11s22 s12

B = |det S =

Учитывая Sn » S22, из (12) и (13), получим следующие соотношения:

?4i%x2

= X1X2.

X2 + X2 on + 022 + 2o12 = 2o11 + 2°12'

X1X2 =

2 2 2

s11s22 s12 — s11 - s122 = °11 a12,

подставив которые в (11), получим

2ф = arccos

2

2о11 + 2о12

4s

12

1- cos22y

+1

\

Г

\

1

2

Т.к. из (4) следует, что COs2y = 0 , а s^ = , то

2ф = arccos

= arccos

/ \(2о11

2

+2о12 4о12)

+ 1

2(о - о )(2о11 2о12) +1

2

= arccos ^2[i +1] = arccos 41

2ф = 0°

Таким образом, независимо от величин ЭПР подстилающих поверхностей в миллиметровом диапазоне волн, вследствие практически идентичного уровня значений S на горизонтальной и вертикальной поляризациях, для координат собственного поляризационного базиса рассмотренных покровов характерна, во-первых, высокая устойчивость, во-вторых, низкое СКО. Как видно из выражений (5) и (18), значения углов 2y и 2ф будут стабильны при любых углах обзора.

Устойчивость параметров 2y и 2ф к различным азимутальным углам свидетельствует о том, что исследуемые поверхности могут быть отнесены к классу диагональных объектов [23], а это значит, что существуют такие поляризационные базисы, в которых случайная матрица рассеяния может приводиться к диагональному виду или к виду, где один из диагональных элементов равен нулю, что эффективно можно использовать для подавления мешающих отражений.

ЛИТЕРАТУРА

1. Андреев Г. А., Бисярин В.П., Соколов А.В., Стрелков Г.М. Распространение лазерного излучения в атмосфере земли. В сб.: «Итоги науки и техники. Радиотехника», т. 2. - М., 1977.

2. Андреев Г.А., Зражевский А.Ю., Кутуза В.Г., Соколов А.В., Сухонин Е.В. Распространение миллиметров. и субмиллиметров. волн в атмосфере. «Пробл. совр. радиотехн. и электрон.», т. 1. - М.: ИРЭ АН СССР, 1978.

3. Андреев Г.А. Отражение и рассеяние миллиметровых волн земными покровами. - Зарубежная радиоэлектроника, 1979.

4. Ulaby, Fawwaz T. Stiles, W. Herschel Abdelrazik, Mohamed. Snowcover Influence on Backscattering from Terrain // IEEE Transactions on geoscience and remote sensing. - 1984. - 22, №2.

5. Е.А. Шорохова, А.В. Кашин. Некоторые особенности рассеяния электромагнитных волн на статистически неровных земных покровах в миллиметровом диапазоне волн. - Известия вузов. Радиофизика, т. XLVIII, №6, 2005.

6. N.C. Currie, J.D. Echard, M.J. Gary, A.H. Green. Milimeter Wave Measurements and Analysis of Snow-Covered Grond // IEEE Transactions on geoscience and remote sensing. - 1988. - 26, №3

7. Haddock, T.F.; Ulaby, F.T. 140-GHz Scatterometir System And Measurements Of Terrain // IEEE Transactions on geoscience and remote sensing. - 1990. - 28, №4

8. Williams L.D., Birnie R.V., Gallagher J.G. Millimeter wave backscatter from snowcove: Int. geosci and remote sens symp. (IGARSS’85). - Oct. 7 - 9, 1985. - 2. - с. 842-847.

9. Козлов А.И., Логвин А.И., Лутин Э.А. Методы и средства радиолокационного зондирования подстилающих поверхностей в интересах народного хозяйства. - М.: ВИНИТИ, 1992.

10. Jay Kyoon Lee, Jin Au Kong. Active Microwave Remote Sensing of an Anisotropic Random Medium Layer // IEEE Transactions on geoscience and remote sensing. - 1985. - 23, №6.

11. Birrer, I. J. Bracalente, E. M. Dome, G. J. Sweet, J. Berthold, G. S Signature of the Amazon Rain Forest Obtained from the Seasat Scatterometer // IEEE Transactions on geoscience and remote sensing. - 1982. - 20, №1.

12. Narayanan R.M., Borel Ch. C. McIntosh. Radar Backscatter characteristics of trees at 215 GHz // IEEE Transactions on geoscience and remote sensing. - 1988. - 26, №3.

13. Loor G., Jurriens A. Graverteijn B. The radar backscatter from selected agricultural crops // IEEE Trans., Geoscience and Electr. - GE-12, 1974.

14. Г.А. Андреев, В.А. Голунов, А.В. Соколов. Рассеяние и излучение миллиметровых радиоволн природными образованиями. - В кн.: Итоги науки и техники. Радиотехника, т. 20. - М., 1980.

15. Bush T., Ulaby F. Radar return from a continuous vegetation canopy // IEEE Trans., Antennas and Prop. - AP-24, №3, 1976.

16. Taylor R. Terrain return measurements at X, Ku and Ka band // IRE Nat. Gonv. Rec. - №1, 19, 1959.

17. Attema E., Kuilenburg J. Short range vegetation scatterometry // Proc. Of URSI Comm. II Spec. Meeting Mi-

crowave scattering and emission from the Earth, 23-26 Sept, 1974. - Bern, 1974

18. Ulaby F. Vegetation and Soil backscatter over the 4-18 GHz region // Proc. Of URSI Comm. II Spec. Meeting

“Microwave scattering and emission from the Earth, 23-26 Sept, 1974. - Bern, 1974.

19. Ulaby F. Radar Responce to Vegitation // IEEE Trans., Antennas and Prop. - AP-23, №1, 36, 1976.

20. Ulaby, F.T. Wilson, E.A. Microwave Attenuation Properties of Vegetation Canopies // IEEE Transactions on geoscience and remote sensing. - 1985. - 23, №5.

21. Felix K., Edmond J. Violette, Richard H. Espeland. Millimeter-wave Propagation in Vegetation: Experiments and Theory // IEEE Transactions on geoscience and remote sensing. - 1988. - 26, №3.

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

23. Устинович В.Б. Анализ поляризационных характеристик подстилающих покровов и использование его результатов для подавления мешающих отражений в трассовых РЛС УВД. Дис. ... канд. техн. наук. - М.: МИИГА, 1981.

24. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн. Поляризационная структура радиолокационных сигналов. - М.: Радиотехника, 2005.

25. Козлов Н.И., Логвин А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн. Поляризационная структура радиолокационных сигналов. Т. 2. - М.: Радиотехника, 2007.

MILLIMETER-WAVE POLARIZATION CHARACTERISTICS OF CANOPIES

Yamanov A.D.

Abstraction of backscattering coefficient data as a function of incidence angle, time, type of canopy, frequency and polarization configuration is given. General regularities of canopies for millimeter-wave propagation are defined and analyzed.

Сведения об авторе

Яманов Антон Дмитриевич, 1984 г.р., окончил МГТУ ГА (2007), аспирант МГТУ ГА, автор 2 научных статей, область научных интересов - радиолокация.