Способ измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта
METHOD OF MEASUREMENT OF THE POLARIZATION MATRIX OF THE OBJECT SCATTERING

Изобретение относится к области радиолокации и может быть использовано в радиолокационных системах с зондирующими сигналами, кодированными по фазе (фазокодоманипулированными сигналами), для измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта.
Известен способ подавления боковых лепестков автокорреляционной функции широкополосного сигнала [Патент RU №2335782, МПК: G01S 7/36, опубликован 10.10.2008], в котором в каждом периоде зондирования излучают один из двух, согласованных друг с другом фазокодоманипулированных (ФКМ) сигналов. При приеме отраженных сигналов производят их сжатие (оптимальную фильтрацию) отдельно для каждого периода повторения зондирующих импульсов, после чего суммируют результаты сжатия отраженных сигналов с задержкой первого результата относительно второго на период зондирования, в соответствии с временным положением ФКМ сигналов. При этом если результаты сжатия имеют амплитуды боковых лепестков, равные по модулю, но противоположные по знаку, а также равные амплитуды их основных пиков, то уровень боковых лепестков результата суммирования будет равен нулю, а полезный сигнал (основной пик) увеличится в два раза.
В данном способе в качестве зондирующих сигналов используют дополнительные сигналы, кодированные в соответствии с дополнительными последовательностями [Теория сложных сигналов. Л.Е. Варакин. - М.: Советское радио, 1970, с. 367], которые также возможно использовать для измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта.
Недостаток данного способа заключается в невозможности измерения всех элементов поляризационной матрицы рассеяния объекта.
В качестве прототипа для заявляемого способа выбран способ измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта [Патент RU №2204842, МПК: G01S 13/00, опубликован 20.05.2003], заключающийся в том, что при зондировании на одной несущей частоте на ортогональных поляризациях одновременно излучают соответствующие ортогональные по структуре радиосигналы, затем принимают одновременно все ортогонально поляризованные составляющие отраженных от объекта радиосигналов. Выходные радиосигналы каждого соответствующего по поляризации канала приемника подают на фильтры, каждый из которых согласован с одним из излученных ортогональных по структуре радиосигналов. После этого измеряют параметры выходного радиосигнала каждого согласованного фильтра, определяющие соответствующие элементы поляризационной матрицы рассеяния объекта.
В данном способе недостатком является то, что сжатые согласованными фильтрами сигналы имеют боковые лепестки, влияющие на точность измерения. Сжатый согласованным фильтром сигнал с точностью до постоянного множителя повторяет задержанную во времени копию автокорреляционной функции сигнала и содержит в своем составе основной пик и боковые лепестки. Основной пик является полезным сигналом, а боковые лепестки являются помехами, которые маскируют основные пики сжатых сигналов с меньшей энергией. Кроме этого боковые лепестки могут быть приняты за ложные сигналы.
Технический результат, на который направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта за счет устранения влияния боковых лепестков сигналов, сжатых согласованными фильтрами, а также за счет устранения влияния взаимно корреляционных составляющих, обусловленных прохождением сигналов через несогласованные фильтры.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта при зондировании на одной несущей частоте на ортогональных поляризациях одновременно излучают соответствующие ортогональные по структуре радиосигналы, затем принимают одновременно все ортогонально поляризованные составляющие отраженных от объекта радиосигналов. Выходные радиосигналы каждого соответствующего по поляризации канала приемника подают на фильтры, каждый из которых согласован с одним из излученных радиосигналов. Измерение осуществляют за два или более периода зондирования. При этом в качестве излучаемых радиосигналов на ортогональных поляризациях используют пару сигналов, кодированных дополнительными последовательностями, которые изменяют от периода к периоду зондирования таким образом, что обе дополнительные последовательности разворачиваются, а одна из них кроме этого инвертируется. После чего сжатые согласованными фильтрами в каждом из периодов зондирования радиосигналы объединяют и по параметрам объединенных радиосигналов определяют соответствующие элементы поляризационной матрицы рассеяния объекта.
Сущность заявляемого способа измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта состоит в том, что при зондировании на одной несущей частоте на ортогональных поляризациях одновременно излучают соответствующие ортогональные по структуре радиосигналы (осуществляют облучение объекта). После этого принимают одновременно все (четыре) ортогонально поляризованные составляющие отраженных от объекта радиосигналов двумя, соответствующими по поляризации, каналами приемника. Для разделения ортогональных по структуре одинаково поляризованных составляющих отраженных радиосигналов выходные радиосигналы каждого соответствующего по поляризации канала приемника подают на фильтры, каждый из которых согласован с одним из излученных ортогональных по структуре радиосигналов. При этом в качестве излучаемых радиосигналов на ортогональных поляризациях (например, горизонтальной и вертикальной) используют пару сигналов, кодированных дополнительными последовательностями (дополнительных сигналов).
Измерение поляризационной матрицы рассеяния объекта осуществляют за два или более периода зондирования. В каждом периоде зондирования излучают одновременно на ортогональных поляризациях пару дополнительных сигналов. При этом каждый из фильтров, на которые подают выходные радиосигналы каналов приемника, согласуют с одним дополнительным сигналом из пары использованных.
Кодирующие дополнительные последовательности пары излучаемых сигналов изменяют от периода к периоду зондирования по следующему правилу.
а
a
i
i
i
i
i
i
Если известна пара дополнительных последовательностей длины N, используемая в нечетных периодах зондирования: {} и {b}, значения символов которых  є {-1, 1}, b є {-1, 1}, где i=0, .., N-1, то измененную пару дополнительных последовательностей {с} и {d}, используемую в четных периодах зондирования, получают с помощью одного из соотношений:
или  где i=0, .., N-1.
Согласно приведенным соотношениям обе дополнительные последовательности разворачиваются, а одна из них кроме этого инвертируется.
а
i
i
i
i
i
i
Если измерение выполняют, например, за два периода зондирования, то пару сигналов, кодированных дополнительными последовательностями {} и {b} используют в первом (нечетном) периоде, а пару сигналов, кодированных дополнительными последовательностями {с}, используют во втором (четном) периоде зондирования. При этом дополнительные последовательности и {d} используются для кодирования радиосигналов, излучаемых на одной поляризации, а дополнительные последовательности {b} и {d} - на другой ортогональной поляризации.
Измененные таким образом излучаемые сигналы не теряют свойств дополнительных сигналов, что позволяет в процессе их обработки при осуществлении измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта избавиться от боковых лепестков, а также устранить взаимно корреляционные составляющие, обусловленные прохождением сигналов через несогласованные фильтры.
Сжатые согласованными фильтрами в каждом из периодов зондирования радиосигналы объединяют, после чего по параметрам объединенных радиосигналов определяют соответствующие элементы поляризационной матрицы рассеяния объекта.
В простейшем случае объединение реализуемо при суммировании результатов сжатия, полученных в двух периодах зондирования, в соответствии с временным положением зондирующих сигналов.
На чертеже представлена структурная схема устройства обработки принятых ортогонально поляризованных составляющих отраженных от объекта сигналов для двух периодов зондирования.
11
12
11
12
11
12
21
22
21
22
21
22
Данное устройство состоит из первого 1 и второго 2 одинаковых по структуре каналов обработки, соответствующих ортогональным поляризациям, и включает в себя первый управляемый оптимальный фильтр первого канала (УОФ) 3, второй управляемый оптимальный фильтр первого канала (УОФ) 4, первый элемент памяти первого канала (ЭП) 5, второй элемент памяти первого канала (ЭП) 6, первый сумматор первого канала (С) 7, второй сумматор первого канала (С) 8, первый управляемый оптимальный фильтр второго канала (УОФ) 9, второй управляемый оптимальный фильтр второго канала (УОФ) 10, первый элемент памяти второго канала (ЭП) 11, второй элемент памяти второго канала (ЭП) 12, первый сумматор второго канала (С) 13 и второй сумматор второго канала (С) 14.
11
12
11
11
11
11
12
12
12
12
11
12
Входы УОФ 3 и УОФ 4 соединены с первым входом устройства. Выход УОФ 3 соединен с входом ЭП 5 и со вторым входом С 7, первый вход которого соединен с выходом ЭП 5. Выход УОФ 4 соединен с входом ЭП 6 и со вторым входом С 8, первый вход которого соединен с выходом ЭП 6. Выходы С 7 и С 8 являются соответственно первым и вторым выходами устройства.
21
22
21
21
21
21
22
22
22
22
21
22
Входы УОФ 9 и УОФ 10 соединены со вторым входом устройства. Выход УОФ 9 соединен с входом ЭП 11 и со вторым входом С 13, первый вход которого соединен с выходом ЭП 11. Выход УОФ 10 соединен с входом ЭП 12 и со вторым входом С 14, первый вход которого соединен с выходом ЭП 12. Выходы С 13 и С 14 являются соответственно третьим и четвертым выходами устройства.
Работает устройство следующим образом.
11
21
12
22
11
12
21
22
11
12
21
22
В первом периоде зондирования излучается пара дополнительных сигналов на ортогональных поляризациях, принимаются все ортогонально поляризованные составляющие отраженных от объекта сигналов, выходные радиосигналы двух ортогональных по поляризации каналов приемника поступают на первый и второй входы представленного устройства обработки. При этом УОФ 3 и УОФ 9 согласованы с первым дополнительным сигналом из пары, а УОФ 4 и УОФ 10 согласованы со вторым дополнительным сигналом из пары. УОФ 3, УОФ 4, УОФ 9 и УОФ 10 осуществляют сжатие принятых отраженных от объекта сигналов. После этого полученные результаты сжатия поступают соответственно в ЭП 5, ЭП 6, ЭП 11, ЭП 12 и сохраняются в них.
11
21
12
22
11
12
21
22
11
12
21
22
11
12
21
22
Во втором периоде зондирования используемая пара дополнительных сигналов изменяется в соответствии с предлагаемым правилом (обе кодирующие их дополнительные последовательности разворачиваются, одна из них кроме этого инвертируется). После этого измененная пара дополнительных сигналов излучается на ортогональных поляризациях, принимаются все ортогонально поляризованные составляющие отраженных от объекта сигналов, выходные радиосигналы двух ортогональных по поляризации каналов приемника поступают на первый и второй входы устройства обработки. При этом УОФ 3 и УОФ 9 согласованы с первым дополнительным сигналом из пары, а УОФ 4 и УОФ 10 согласованы со вторым дополнительным сигналом из пары. УОФ 3, УОФ 4, УОФ 9 и УОФ 10 осуществляют сжатие принятых отраженных от объекта сигналов, после чего полученные результаты сжатия поступают соответственно в ЭП 5, ЭП 6, ЭП 11, ЭП 12, а также на вторые входы С 7, С 8, С 13 и С 14. При этом на первые входы всех сумматоров поступают задержанные на период зондирования отсчеты сигналов, сжатых в предыдущем периоде зондирования. На выходе каждого из сумматоров будет присутствовать радиосигнал, полученный после объединения отсчетов сигналов, сжатых в двух периодах зондирования.
Результаты суммирования на первом, втором, третьем и четвертом выходах устройства будут соответствовать четырем ортогонально поляризованным составляющим отраженных от объекта радиосигналов, которые определяют поляризационную матрицу рассеяния объекта.
Управляемые оптимальные фильтры, использованные в схеме данного устройства, представляют собой обычные оптимальные фильтры, каждый из которых настроен на сигнал, используемый в текущем периоде зондирования. Поскольку подаваемый на схему зондирующий сигнал изменяется, то существует необходимость изменять характеристики оптимального фильтра вслед за изменением зондирующего сигнала. Именно этот факт отражает определение оптимального фильтра как управляемого.
Элементы памяти устройства задерживают отчеты сжатых сигналов на период зондирования, тем самым обеспечивая согласование их временного положения относительно результатов сжатия сигналов, принятых в соседних периодах зондирования. В данном устройстве обработки используются элементы памяти типа FIFO (First In, First Out), в которых обработка данных производится в том же порядке, что и поступление.
Таким образом, использование пары дополнительных сигналов в качестве излучаемых одновременно на двух ортогональных поляризациях с изменением их кодирующих дополнительных последовательностей от периода к периоду зондирования позволяет существенно повысить точность измерения поляризационной матрицы рассеяния объекта.
Промышленная применимость данного способа возможна, исходя из того, что все используемые операции практически реализуемы в цифровой технике, а также программным способом в вычислительной технике.