«Поляризационный след» при рассеянии электромагнитных волн составными объектами

2013

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА

№ 189

УДК 621.396.96

«ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ СЛЕД» ПРИ РАССЕЯНИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН СОСТАВНЫМИ ОБЪЕКТАМИ

А.И. КОЗЛОВ, В.Н. ТАТАРИНОВ, С.В. ТАТАРИНОВ, Н.Н. КРИВИН

Эффект «следа», заключающийся в стремлении среднего значения инвариантного поляризационного параметра поля, рассеянного составным объектом (подстилающая поверхность плюс малоразмерный искусственный объект), к значению инвариантного параметра искусственного объекта, впервые продемонстрирован в полном объеме в настоящей работе. Показано, что эффект «следа» приводит к значительному подавлению флуктуаций поляризационных параметров волны при рассеянии составным объектом. Работа содержит постановку задачи и её экспериментальное обоснование.

Ключевые слова: поляризационный след, поляризационные характеристики.

1. Введение

В процессе экспериментальных исследований поляризационных параметров радиолокационных сигналов, проведённых в период 1980-1990 гг. научными коллективами МГТУ ГА (научный руководитель - доктор физико-математических наук, профессор А.И. Козлов) и Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.Н. Татаринов), был обнаружен эффект значительного уменьшения среднеквадратичного отклонения (СКО) флуктуаций поляризационных параметров рассеянных сигналов при размещении на подстилающей поверхности малоразмерного (слабо отражающего) искусственного объекта, обладающего стабильными поляризационными характеристиками.

При этом было установлено, что среднее значение измеряемого инвариантного поляризационного параметра сигнала, рассеянного «составным» радиолокационным объектом (подстилающая поверхность плюс малоразмерный стабильный объект), стремится к значению инвариантного поляризационного параметра искусственного объекта. Во всех сериях экспериментов указанный эффект стабильно повторялся независимо от типа подстилающей поверхности (море, земля). Теоретического обоснования этого эффекта не было обнаружено ни в отечественных, ни в зарубежных публикациях того времени.

К сожалению, ситуация 1990-2000 гг. не дала возможности российским специалистам найти теоретическое обоснование упомянутого эффекта. Только в 2006-2007 гг. в [1; 2; 3], посвящён-ных вопросам современной теории поляризации электромагнитных волн, был разработан математический аппарат, позволяющий провести теоретический анализ эффекта следа. При этом выяснилось, что для адекватного описания данного эффекта необходимо использовать методы системного анализа [4] и четвёртые моменты случайных величин, включая корреляции интенсивности и взаимной интенсивности. Основы математической теории поляризационного следа будут предложены вниманию читателей в последующих статьях предлагаемого цикла.

2. Постановка задачи. Демонстрация эффекта следа для случая составного объекта, включающего одиночный стабильный рассеиватель

С целью постановки задачи создания теории следа и поляризационного контраста малоразмерных искусственных объектов на фоне подстилающей поверхности воспользуемся результатами экспериментальных исследований инвариантных поляризационных параметров при рассеянии сигналов как подстилающей поверхностью (море), так и составными объектами. Эти результаты были получены под руководством профессора В.Н. Татаринова и опубликованы в работах [2; 5; 6 и др.].

Программа экспериментов предусматривала одновременные измерения величины эффективной поверхности рассеяния зондируемого объекта (ЯСБ или ЭПР) и инвариантного поляризационного параметра (коэффициента эллиптичности) эллипса поляризации рассеянной волны в течение длительности импульса т = 10 -6 с. Как известно [1 и др.], коэффициент эллиптичного . р . . р

сти К = tga, где -- £ а £ - есть угол эллиптичности эллипса поляризации волны, определен на

интервале -1 £ К £ 1. Тогда величина К = -1 отвечает волне с левой круговой поляризацией, а К = +1 соответствует волне с правой круговой поляризацией.

Инструментальное определение величины К = tga может быть проведено на основе измерения модуля кругового поляризационного отношения РЯЬ дальнейшей реализацией дробно-линейного преобразования

tg(a + p/4) -1

Р яь -1

Р ЯЬ +1

= tg (а + р4) рассеянной волны с

tga° К.

Макет экспериментальной РЛС, реализующей данный алгоритм, был разработан В. А. Хлусовым [7] под научным руководством профессора В.Н. Татаринова.

Здесь необходимо отметить, что величины ЭПР и К представляют собой инварианты матрицы рассеяния радиолокационного объекта [1; 3], в связи с чем они нечувствительны к поворотам объекта в плоскости, перпендикулярной линии визирования.

Рассмотрим теперь сеансы записи инвариантных поляризационного и энергетического параметров сигналов, рассеянных как подстилающей поверхностью без искусственного объекта (взволнованное море), так и той же поверхностью при наличии слабо отражающего искусственного объекта (т.е. составным объектом). Целью данного рассмотрения является демонстрация существования эффекта следа, т.е. подавления флуктуаций поляризационных параметров волны, рассеянной составным объектом. Анализ данных проведем для различной высоты морских волн.

Приводимые экспериментальные реализации соответствуют сигналам, рассеянным разрешаемым элементом морской поверхности (пикселу), выделенному стробом. При этом геометрические размеры пиксела определяются длительностью импульса (т и = 10 -6 с), угловой шириной диаграммы направленности антенны ( Д0 » 3,5 °) и дистанцией (от 1 до 3 км).

В качестве искусственного объекта, представляющего собой часть составного объекта, на море размещался цилиндрический металлический буй высотой I = 1,5 м и диаметром ё = 0,05 м, закрепленный на поглощающем основании. Для длины волны 1 = 0,03 м и параметров трассы:

дальность Я=1.6 км, высота антенны над уровнем моря к = 60 м, ЭПР буя составит величину

2 2

о 0 » 4,3 -10 - м. При нежестком закреплении основания буя его ЭПР будет изменяться в некоторых пределах.

Удельная ЭПР взволнованной поверхности моря, определяемая отношением суммарной ЭПР разрешаемого элемента (пиксела) к его площади, для длины волны 1 = 0,03 м при волнении до 3-х баллов по шкале Бофорта (высота волны 1,0 ^ 1,7 м, на гребнях волн появляются белые барашки) изменяется в пределах -34 58 дБ. Поскольку суммарная ЭПР определяется как о х = о уд - £, где £ - площадь разрешаемого элемента в условиях эксперимента (ширина ДНА

-3,6°, ти = 10-6с), то о^ »-34дБ»4 10-2 м2, о^ »-58дБ»1,6-10-6м2. Тогда

о Г »-3,5 м2, о Г »-1,4 -10 -2 м2. Таким образом, ЭПР цилиндрического буя значительно меньше средней величины суммарной ЭПР разрешаемого элемента морской поверхности. Длительность реализации приводимых ниже записей поляризационно-энергетических параметров

составляет 10 с, что при частоте следования импульсов 100 Гц обеспечивает 1000 значений каждого из измеряемых параметров.

Рассмотрим теперь поведение измеряемых параметров в зависимости от высоты волнения. На рис. 1а приведены реализации ЭПР (ЯСБ) и коэффициента эллиптичности К сигнала, рассеянного участком морской поверхности при высоте волны 0,2 м (дальность - 1,6 км), а на рис. 1б - реализации этих же параметров при рассеянии волн составным объектом (участок морской поверхности с цилиндрическим буем высотой I = 1,5 м и диаметром < = 0,05 м). Нетрудно видеть существенное изменение характера флуктуаций коэффициента эллиптичности рассеянной волны, заключающееся в формировании выраженного (достаточно стабильного) среднего значения при значительном уменьшении размаха флуктуаций.

б

Рис. 1. Поляризационно-энергетические параметры сигнала при рассеянии: а - морской поверхностью

Здесь необходимо для дальнейшего анализа и интерпретации данных привести данные калибровочного сеанса, при котором коэффициент эллиптичности буя регистрировался при абсолютном отсутствии морского волнения (зеркально гладкая поверхность), что практически исключало сигнал обратного рассеяния от морской поверхности (рис. 2).

Рис. 2. Калибровочная запись величины параметра К для цилиндрического буя

а

Из калибровочной записи следует, что величина параметра К » -1 соответствует поляриза-ционно-изотропному объекту, к классу которых относятся тела вращения с диаметром, превышающим длину волны. При цветояркостной индикации радиолокационной карты данной величине соответствует синий цвет.

б

Рис. 3. Гистограмма коэффициента эллиптичности при рассеянии: а - участком морской поверхности

Сравнительный анализ гистограмм коэффициента эллиптичности при рассеянии морем (рис. 3а) и составным объектом (рис. 3б) объективно свидетельствует о факте смещения среднего значения коэффициента эллиптичности суммарного сигнала к величине -1 и о значительном уменьшении разброса.

б

Рис. 4. Поляризационно-энергетические параметры сигнала при рассеянии: а - морской поверхностью

а

а

а

б

Рис. 5. Гистограмма коэффициента эллиптичности при рассеянии: а - морской поверхностью

На рис. 6 изображены реализации ЭПР и коэффициента эллиптичности К сигнала при рассеянии морской поверхностью (рис. 6а) при высоте волны 1,2 + 1,5 м на дальности 1,6 км и составным объектом (рис. 6б) для тех же условий. Гистограммы поляризационно-энергетических параметров для данных реализаций приведены на рис. 1а, б.

Рис. 6. Поляризационно-энергетические характеристики сигнала при рассеянии: а - морской поверхностью

Нетрудно видеть (рис. 7а), что с ростом высоты морского волнения распределение коэффициента эллиптичности стремится к равномерному на интервале -1 -+1, что позволяет оценить

среднеквадратичное отклонение для данного сеанса как а = » 0,58. Среднее значение коэффициента эллиптичности, как и ранее (рис. 3а, 6а), близко к нулю. Коэффициент эллиптичности волны, рассеянной составным объектом при этих условиях, по-прежнему смещён к области К = -1, а среднеквадратичное отклонение составляет величину а » 0,11.

а

б

Рис. 7. Гистограмма коэффициента эллиптичности при рассеянии: а - морской поверхностью

Таким образом, результаты измерений, проведённых в различных условиях, демонстрируют устойчивую закономерность стремления среднего значения коэффициента эллиптичности волны, рассеянной составным объектом (морская поверхность+цилиндрический буй), к величине К = -1, характеризующей малоразмерный объект (I = 1,5 м, d = 0,05 м) даже в случае, когда удельная ЭПР взволнованного участка морской поверхности значительно превышает ЭПР искусственного объекта. При этом мера разброса (СКО) коэффициента эллиптичности волны, рассеянной составным объектом, уменьшается.

В табл. 1 приведены данные, полученные путём усреднения результатов измерений по 8-12 сеансам для каждого из случаев, указанных в первом столбце. Усреднённые данные подтверждают тенденции, характерные для единичных сеансов измерений, приведённых выше.

Таблица 1

Объект, дистанция Высота волны Среднее значение СКО

Поверхность моря В = 1,5-1,6 км » 0,2 м (К) = -0,2 - 0,1 а К = 0,23

Цилиндрический буй (1 = 1,5 м, d = 0,05 м) над поверхностью моря В = 1,5 -1,6 км » 0,2 м (К) = -0,8 а К = 0,07 - 0,08

Поверхность моря В = 1,5-1,6 км » 0,4 - 0,5 м К = 0 а К = 0,26

Цилиндрический буй (1 = 1,5 м, d = 0,05 м) над поверхностью моря В = 1,5 -1,6 км » 0,5 м (К) = -0,75 а К = 0,033

Поверхность моря В = 1,2-1,6 км »1,2-1,5 м К = 0 а К = 0,56

Цилиндрический буй (1 = 1,5 м, d = 0,05 м) над поверхностью моря В = 1,5 -1,6 км »1,2-1,5 м (К) = -0,7 а К = 0,11 - 0,125

Таким образом, можно считать экспериментально установленным факт радикального изменения поляризационных параметров сигнала при рассеянии составным объектом, включающим в себя естественную подстилающую поверхность и слабо отражающий искусственный объект. При этом среднее значение поляризационного параметра совокупного рассеянного сигнала стремится к значению поляризационного параметра искусственного объекта, а среднеквадратичное отклонение (СКО) измеряемого параметра этого сигнала значительно меньше СКО флуктуаций сигнала, рассеянного только подстилающей поверхностью. Данное обстоятельство приводит к стабилизации среднего значения измеряемого параметра в разрешаемом объёме и к значительному различию поляризационных параметров объёма, занятого составным объектом, по сравнению с элементами разрешения, включающими только подстилающую поверхность. Тогда при отображении поляризационных параметров на индикаторе РЛС элемент разрешения, содержащий составной объект, будет обладать контрастом по отношению к соседним элементам.

3. Заключение

Приведённые в работе результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о наличии эффекта кардинального изменения поляризационных свойств сигналов при рассеянии случайной подстилающей поверхности в случае размещения в рассеивающем объёме малоразмерного точечного искусственного объекта, обладающего стабильными поляризационными параметрами.

Данный эффект мы будем называть эффектом поляризационного «следа». В следующей статье существование эффекта «следа» будет подтверждено для случая, когда стабильные радарные объекты будут распределены в пространстве на площади, превышающей размеры разрешаемого объёма.

В этом случае соседние элементы разрешения будут представлять собой также составные объекты, что возможно для протяжённых искусственных РЛО, таких как железные дороги, поезда, линии электропередач, караваны судов и т.п.

ЛИТЕРАТУРА

1. Stratton J.A., Chu L.J. Diffraction theory of electromagnetic waves. Physical Review, v. 56, pp. 308-316.

2. Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Принципы системного анализа. - Томск, 2001.

3. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн. - М.: Радиотехника, 2006. - Т. 1.

4. Татаринов В.Н., Татаринов С.В., Лигтхарт Л.П. Введение в современную теорию поляризации радиолокационных сигналов. - Томск: издательство Томского государственного университета, 2006.

5. Tatarinov V.N., Tatarinov S.V. A generalization of Fresnel-Arago Interference Laws. Proc. Of Int. Conf. Soft-C0M'09, Split-Hwar, Croatia, Sept. 2009.

6. Tatarinov V.N., Tatarinov S.V., P. van Genderen, Tran D., Zijderveld J. The Reports IRCTR-S-028-03 and IRCTR-S-029-04.

7. Хлусов В.А. Моноимпульсные измерители поляризационных параметров радиолокационных объектов: дис.... канд. техн. наук. - Томск, 1989.

«POLARIZATION TRACK» I N CCSE OF ELLCCROMAAGETIC WAVES SCATTLRIEG BY COMPOSITL RADAR OBJECT

Kozlov A.I., Tatarinov V.N., Tatarinov S.V., Krivin N.N.

А «track» effect that is consisting in an aspiration of scattered field invariant polarization parameter mean value at the scattering by a composite radar object (a surface plus small-scale object) to a small-scale object invariant polarization parameter value, justified in given paper for the first time. It is illustrated in the paper that a track effect leads to considerable suppression of scattered wave invariant polarization parameters fluctuation at the scattering by a composite object. The first part of given paper is including the problem formulation and its experimental justification.

Key words: polarization track, polarization chracteristics.

Сведения об авторах

Козлов Анатолий Иванович, 1939 г.р., окончил МФТИ (1962), профессор, доктор физико-математических наук, Соросовский профессор, заслуженный деятель науки и техники РФ, академик Академии транспорта РФ и Международной академии информатизации, советник ректора МГТУ ГА, автор более 300 научных работ, область научных интересов - радиофизика, радиополяриметрия, радиолокация.

Татаринов Виктор Николаевич, 1941 г.р., окончил ТУСУР (1964), доктор технических наук, профессор, действительный член Академии электромагнетизма (Массачусетс, США), заведующий кафедрой конструирования и производства радиоаппаратуры ТУСУР, автор более 200 научных работ, область научных интересов - теория когерентности и поляризации электромагнитного поля, статистическая радиофизика, рассеяние волн сложными объектами, поляризационная радиолокация.

Татаринов Сергей Викторович, 1969 г.р., окончил ТУСУР (1994), кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и производства РЭА ТУСУР, автор более 80 научных работ, область научных интересов - статистическая теория поляризации при рассеянии волн сложными объектами.

Кривин Николай Николаевич, 1985 г.р., окончил ТУСУР (2007), преподаватель кафедры конструирования и производства РЭА ТУСУР, автор 12 научных работ, область научных интересов - теория поляризационного контраста малоразмерных объектов на подстилающей поверхности.