СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ОТРАЖЕНИЯ ОТ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD OF DETERMINING REFLECTION COEFFICIENT FROM EARTH'S SURFACE

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано для определения коэффициента отражения от земной поверхности, в том числе с применением лётно-подъёмных средств.
Известные способы определения коэффициента отражения основаны на определении интерференционных максимумов и минимумов поля излучателя, поднятого над отражающей поверхностью, то есть крупномасштабной интерференционной картины поля. Для этого изменяют относительное длины волны излучения положение излучателя (переизлучателя), приёмника и отражающей поверхности и регистрируют уровень поля в пункте приёма. Такой процесс сопровождается значительными затратами временных и материальных ресурсов.
о
Известен способ определения коэффициента отражения радиопоглощающего материала, включающий облучение испытуемого материала и приём отражённого сигнала с помощью передающей и приёмной слабонаправленных с идентичными диаграммами направленности антенн, расположенных на одинаковой высоте. Передающую антенну ориентируют на испытуемый материал, выполняют изменение и измерение мощности на выходе приёмной антенны. Передающую антенну ориентируют на приёмную. Изменение мощности на выходе приёмной антенны осуществляют путём изменения частоты сигнала до получения минимальной или максимальной величины измеренной мощности. Затем измеряют мощность на выходе приёмной антенны при одновременном повороте плоскости поляризации приёмной и передающей антенны на 90, а модуль коэффициента отражения рассчитывают по результатам измерений с учётом угла падения электромагнитной волны на испытуемый материал. Определение угла падения может выполняться исходя из высоты и расстояния между приёмной и передающей антеннами [Авторское свидетельство СССР №1290201, 1987, G 01 R 27/ 06].
Недостатками способа являются: инерционность, обусловленная необходимостью изменения частоты сигнала и поворотом плоскости поляризации антенн; сложность синхронизации этих действий; не определяется фаза коэффициента отражения; ограничение применимости способа условием расположения антенн на одинаковой высоте.
Известен способ определения модуля и фазы коэффициента зеркального отражения плоских поверхностей веществ, заключающийся в том, что исследуемое вещество облучают источником колебаний фиксированной частоты посредством антенны, расположенной над поверхностью исследуемого вещества, затем изменяют взаимное положение исследуемого вещества и отражённого поля, измеряют максимальное и минимальное значения принимаемого сигнала и определяют модуль и фазу коэффициента зеркального отражения поверхности исследуемого вещества. Над поверхностью исследуемого вещества в зоне облучения располагают изотропный отражатель, антенну фиксируют над этой поверхностью, направляя ее ось на проекцию отражателя на поверхности исследуемого вещества. Измерения максимального и минимального значений принимаемого антенной сигнала производят, перемещая изотропный отражатель перпендикулярно поверхности исследуемого вещества. После чего находят отношение этих значений и минимальную высоту отражателя над поверхностью исследуемого вещества, при которой антенной принимается максимальный сигнал, а также расстояние между двумя соседними положениями отражателя в направлении его перемещения, при которых обеспечивается максимальная величина принимаемого антенной сигнала. Используя полученные параметры, определяют модуль и фазу коэффициента зеркального отражения [Патент РФ №2117952, 1998, G 01 R 27/ 06].
Данному способу присущи следующие недостатки: инерционность, обусловленная необходимостью механического перемещения изотропного отражателя; сложность обеспечения с требуемым качеством изотропности отражателя и развязки совмещённой приёмной и передающей антенны.
Из известных решений наиболее близким к предлагаемому способу (прототип) является способ определения коэффициента отражения радиопоглощающего материала, заключающийся в облучении радиопоглощающего материала и приёмной антенны электромагнитной волной посредством передающей антенны и анализ интерференционного поля, при этом антенны перемещают относительно радиопоглощающего материала в направлении нормали к его поверхности и измеряют максимальное и минимальное значение на выходе приёмной антенны. Приёмную и передающую антенны располагают на одинаковой высоте. Измерения осуществляют при направлении максимума диаграммы направленности приёмной антенны в точку зеркального отражения на поверхности радиопоглощающего материала и ориентации максимума диаграммы направленности передающей антенны в направлении приёмной антенны. Измеряют углы падения электромагнитной волны на радиопоглощающий материал, соответствующие максимальному и минимальному значениям сигнала на выходе приёмной антенны, а модуль и фазу коэффициента отражения рассчитывают по результатам всех измерений. Измерение углов падения электромагнитной волны на радиопоглощающий материал может выполняться исходя из высоты и расстояния между приёмной и передающей антеннами [Авторское свидетельство СССР №1219984, 1986, G 01 R 27/ 06].
Для реальных УКВ радиотрасс с дальностью 20-40 км на частотах 300-3000 МГц для определения интерференционных экстремумов данным способом необходимо обследовать высоты подъёма антенн до 50-200 м, то есть нескольких сотен длин волн.
Исходя из этого основной недостаток способа-прототипа состоит в значительных затратах временных и материальных ресурсов, обусловленных необходимостью перемещения антенн по высоте и переориентации их диаграмм направленности. Другим недостатком является ограничение применимости условием неизменности взаимного положения антенн, расположения их на одинаковой высоте при фиксированном горизонтальном расстоянии, что требует синхронизации процесса перемещения, не позволяет измерять коэффициент отражения в процессе независимого движения пунктов излучения и приёма располагаемых, например, на летательных аппаратах.
Технической задачей данного изобретения является сокращение временных затрат и обеспечение измерений в реальном масштабе времени в том числе в движении.
Поставленная задача решается за счёт того, что в известном способе определения коэффициента отражения от земной поверхности, включающем излучение и приём узкополосного радиосигнала в пунктах с известным местоположением, новым является то, что, приём радиосигнала осуществляют с помощью не менее двух вертикально разнесённых приёмных антенн, измеряют комплексные огибающие принятых антеннами сигналов, с учётом взаимного и относительно земной поверхности положения излучателя и приёмных антенн, по совокупности прямой и отражённой волны, как функции возможных значений коэффициента отражения, формируют опорные сигналы, определяют функцию корреляции их с измеренными комплексными огибающими, по положению максимума которой определяют коэффициент отражения, при этом функцию корреляции получают путём умножения комплексной огибающей на комплексно сопряжённые опорные сигналы соответствующей антенны, суммирования результатов умножения по совокупности антенн, квадратичного детектирования суммарного сигнала, его нормировки на сумму по совокупности антенн квадратично детектированных опорных сигналов и усреднения результатов нормировки за время приёма, а опорные сигналы определяют по формуле
,
где  – номер приёмной антенны,  – момент времени приёма,  – значения комплексной диаграммы направленности приёмной антенны в направлении прямой и отражённой волны, ,  – доплеровский сдвиг частот, ,  – запаздывание,  – длина пути прямой и отражённой волны,  – несущая частота излучаемого радиосигнала,  – значения амплитудных диаграмм направленности антенны излучателя в направлении прямой и отражённой волны,  – возможное значение коэффициента отражения,  – скорость света,  – мнимая единица,
Решение поставленной технической задачи основывается анализе интерференционного поля в местах расположения приёмных антенн с относительно небольшим разносом по высоте, не превышающим для двух антенн половины длины волны излучения. При таком масштабе интерференционный характер поля проявляется в комплексных огибающих принимаемых радиосигналов. Теоретическим эталоном огибающих являются опорные сигналы. Их формируют с учётом прямой и отражённой от земной поверхности волны, взаимного и относительно земной поверхности положения излучателя и приёмных антенн, динамики её изменения. Опорные сигналы зависят от углов прихода радиоволн в вертикальной плоскости, длины проходимого ими пути, запаздывания, доплеровского сдвига частот, коэффициента отражения. Последующие действия по определению корреляционной функции и её максимума обусловлены априорной неопределённостью о мощности, начальной фазе и комплексной огибающей излучаемого радиосигнала. Анализ мелкомасштабной картины интерференционного поля выполняется в реальном, единицы-доли миллисекунд, времени, что обеспечивает измерение коэффициента отражения и в движении пунктов излучения и приёма.
Учёт указанных закономерностей в соответствии с предложенными новыми действиями, условиями и порядком их выполнения, позволяет решить поставленную техническую задачу: сократить временные затраты и обеспечить измерение коэффициента отражения радиоволн от земной поверхности при движении пунктов излучения и приёма.
Указанные преимущества и особенности настоящего изобретения поясняются вариантом его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.
На фиг.1 показана схема распространения радиоволн;
на фиг.2 – структурная схема приёмно-измерительной системы для реализации заявленного способа;
на фиг.3 и фиг.4 – результаты определения модуля и фазы коэффициента отражения от земной поверхности предлагаемым способом в зависимости от расстояния между пунктами излучения и приёма.
На фиг.1 толстой линией показана земная поверхность, точка А – пункт излучения, А′ – фиктивный излучатель под земной поверхностью, B – пункт приёма, O – точка отражения,  и  – высота подъёма пунктов излучения и приёма над земной поверхностью, d – расстояние между ними,  и – длина пути прямой и отражённой волны, и  – углы места их прихода. Утолщёнными стрелками указаны направления распространения.
Приёмно-измерительная система, фиг.1, содержит приёмные антенны 1.1, 1.2, радиоприёмное устройство 2, аппаратуру навигации 3, блок корреляции 4, формирователь опорных сигналов 5 и устройство определения максимума 6. Антенны 1.1, 1.2 через входы соответственно 1, 2 радиоприёмного устройства 2, его одноимённые выходы и одноимённые входы блока корреляции, его выход и вход устройства определения максимума соединены последовательно. Аппаратура навигации выходом подключена к входу формирователя опорных сигналов и через его 1 и 2 выход к входам 3 и 4 блока корреляции 4. Выходом системы является выход блока 6 определения максимума.
Элементы приёмно-измерительной системы устанавливают на мобильном пункте приёма. Приёмные антенны типа вертикальных вибраторов, располагают на перпендикуляре к земной поверхности симметрично относительно центра пункта приёма на высоте от него  и . Из условия однозначности фазовых измерений расстояние между их фазовыми центрами  не должно превышать половины длины волны излучения. Радиоприёмное устройство 2 цифровое двухканальное, обеспечивает фильтрацию в полосе частот излучаемого сигнала и синхронное измерение комплексных огибающих принятых антеннами сигналов. Может быть выполнено по варианту, приведенному в [Побережский Е.С. Цифровые радиоприёмные устройства. – М.: Радио и связь, 1987, с.62-65]. Аппаратура навигации 3 обеспечивает определение местоположения и скорости движения носителя пункта приёма. Навигационные измерения выполняют известными способами и устройствами, например, с помощью навигационно-пилотажных комплексов [Системы управления и бортовые цифровые вычислительные комплексы летательных аппаратов. Под ред. Н.М. Лысенко. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1990, с. 244-259]. Другие элементы приёмно-измерительной системы реализуются методами цифровой обработки сигналов.
Рассмотрим следующий вариант выполнения способа. На стационарном пункте с известным местоположением излучают узкополосный радиосигнал с помощью вертикального вибратора поднятого над земной поверхностью на высоту , см. фиг.1. Мобильный пункт приёма в момент времени  расположен на высоте , на расстоянии  от пункта излучения и движется относительно него с радиальной скоростью . Текущие параметры положения и скорости могут быть получены на приёмном пункте путём навигационных измерений или рассчитаны при движении по заранее определённому маршруту с заданной скоростью с помощью аппаратуры навигации 3 фиг.2.
Излучаемый радиосигнал представим [Побережский Е.С. Цифровые радиоприёмные устройства. – М.: Радио и связь, 1987, с.62] в виде вещественной части квазигармонического колебания с медленно меняющейся огибающей
,                                         (1)
где  – момент времени излучения,  – несущая частота,  – комплексная огибающая,  – начальная фаза радиосигнала.
Полоса частот излучаемого сигнала  много меньше несущей частоты.
Распространение радиоволн в пункт приёма сопровождается ослаблением, запаздыванием и доплеровским сдвигом частот прямого и отражённого от земной поверхности сигнала. Результирующее поле определяется как результат интерференции [Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. М., «Высш. школа», 1975, с.45-46]. Для рассматриваемого варианта принимаемые антеннами 1.1, 1.2 фиг.2 сигналы описываются следующим соотношением
,                      (2)
где  – номер приёмной антенны при общем количестве ,  – энергетический параметр,  – мощность излучения,  – действующая высота приёмных антенн, ,  – запаздывание, ,  – доплеровский сдвиг частот,  – длина пути прямой и отражённой волны,  – значения амплитудных диаграмм направленности антенны излучателя в направлении прямой и отражённой волны,  – значения комплексной диаграммы направленности приёмной антенны в направлении прямой и отражённой волны,  – коэффициент отражения.
Промежуточные в соотношении (2) величины определяются в соответствии с геометрическими построениями фиг.1 по формулам
(3)
где ,  – радиальная скорость движения пункта приёма в направлении прямой и отражённой волны,  – углы места прихода прямой и отражённой волны,  – длина волны излучения,  – волновое число.
Приведём запись (2) к явному виду квазигармонического колебания (1):
.                                   (4)
Примерное равенство в (4) справедливо при относительно медленном изменении комплексной огибающей радиосигнала и становится строгим для гармонического излучаемого колебания когда .
Введённые опорные сигналы являются функциями времени и неизвестного коэффициента отражения, определяются по формуле
. (5)
Опорные сигналы, как сумма гармоник на частотах доплеровских сдвигов с соответствующими амплитудами и фазами, получают в формирователе 5 опорных сигналов по данным аппаратуры 3 навигации фиг.2. Эти сигналы могут формироваться в цифровом или аналоговом виде, в зависимости от применяемых способов обработки сигналов. Необходимые при этом промежуточные величины, определяют по формуле (3).
В соответствии с предлагаемым решением синхронно измеряют комплексные огибающие принятых антеннами сигналов, выделенные в формуле (4) фигурными скобками. Операцию выполняют с помощью радиоприёмного устройства 2. При этом выполняют: предварительную фильтрацию в полосе частот излучаемого сигнала , квадратурный приём с задержкой отсчётов принимаемого сигнала в квадратурном канале на четверть периода несущей частоты , преобразование частоты до минимально возможного нулевого значения и далее аналого-цифровое преобразование отсчётов огибающей. Результаты измерений в дискретные с периодом дискретизации  моменты времени  описываются формулой
,                                     (6)
где  – шумы приёма-измерения,  – номер временного отсчёта при общем количестве .
При неизвестных параметрах  последующая обработка результатов измерений (6) на фоне шумов состоит в определении их функции корреляции с опорными (5) сигналами
.                 (7)
Звёздочка вверху справа величины  означает операцию её комплексного сопряжения.
Функцию корреляции определяют в блоке корреляции 4 по сигналам с радиоприёмного устройства 2 и формирователя опорных сигналов 5.
Согласно формуле (7) функцию корреляции получают путём умножения комплексной огибающей на комплексно сопряжённые опорные сигналы соответствующей антенны, суммирования результатов умножения по совокупности антенн, квадратичного детектирования суммарного сигнала, его нормировки на сумму по совокупности антенн квадратично детектированных опорных сигналов и усреднения результатов нормировки за время приёма. Данная операция в форме (7) выполняется методами цифровой обработки сигналов, при аналоговой обработке суммирование по временным отсчётам заменяют интегрированием с переходом к непрерывному времени.
Коэффициент отражения определяют с помощью устройства определения максимума 6, как положение максимума функции корреляции (7) по возможным значениям этого коэффициента
.                                               (8)
Максимизацию можно выполнять по возможным значениям модуля и фазы коэффициента отражения в диапазоне их определения , , где  – аргумент (фаза вектора) комплексной величины, заключённой в скобки.
На фиг.4, 5 точками показаны результаты определения модуля  и фазы коэффициента отражения  от земной поверхности, полученные моделированием по предлагаемому способу, в зависимости от расстояния  между пунктами излучения и приёма, кружками отмечены истинные значения коэффициента отражения.
Расчёт исходных задаваемых значений выполнялся согласно [Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. М., «Высш. школа», 1975, с.25, 30, 34] по формуле
,                                              (9)
где  – комплексная диэлектрическая проницаемость,  – относительная диэлектрическая проницаемость,  – удельная электрическая проводимость земной поверхности.
При моделировании приняты следующие исходные данные: несущая частота излучаемого сигнала 960 МГц, вид модуляции – синусоидальная частотная, частота модуляции 781 Гц, девиация частоты 2000 Гц, ширина полосы излучения 10 КГц, частота дискретизации 10 КГц, число отсчётов сигнала 64, что соответствует времени приёма 6,4 миллисекунды, разнос приёмных антенн 0,45 длины волны, высота подъёма излучателя 540 м, пункта приёма 2000 м, движение пункта приёма горизонтально земной поверхности со скоростью 60 м/с в направлении излучателя, мощность излучения 10 Вт, уровень шумов приёма в полосе излучения приведенный ко входу приёмных антенн 2 мкВ/м, распространение радиоволн над влажной почвой с относительной диэлектрической проницаемостью 25, удельной проводимостью 0,5 См/м.
В соответствии с фиг.3, 4 для указанных условий предложенным способом обеспечивается определение коэффициента отражения на дальности от пункта излучения до 70 км за указанное время 6,4 миллисекунд.
Таким образом предлагаемый способ позволяет сократить временные затраты и обеспечить измерения в реальном масштабе времени в том числе в движении. Способ может быть использован для оперативного обследования отражательных свойств земной поверхности с применением лётно-подъёмных средств.