УСТАНОВКА ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ОТРАЖЕНИЯ РАДИОВОЛН ОТ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Предполагаемая полезная модель относится к радиолокационной технике, использование которой и результаты, полученные с ее помощью, могут быть использованы при проектировании бортового радиолокационного оборудования авиационной, ракетной и корабельной техники.
В настоящее время миллиметровые волны (ММВ) находят все более широкое применение для решения задач радиолокации, несмотря на то, что вблизи поверхности земли, диапазон ММВ позволяет радиолокационным системам функционировать на дальностях, не превышающих несколько километров [1, 2]. Интерес к этому диапазону вызван рядом преимуществ, которые дает его использование по сравнению с более длинноволновыми диапазонами, а в некоторых случаях принципиально новыми возможностями, обусловленными особенностями взаимодействия ММВ с компонентами окружающей среды [3, 4].
Важная особенность ММВ - высокая чувствительность их рассеяния к неровностям поверхностей - ряби на воде, состоянию почвы и растительных покровов, проявляется в высоких, сопоставимых с уровнем полезного сигнала отражениях от фона [5-7]. Обнаружение радиолокационной цели на фоне неровных поверхностей, какими и являются большинство реальных земных покровов, при использовании ММВ становится крайне сложной.
Идентификация объектов на фоне подстилающей поверхности, когда амплитудные и фазовые различия выражены слабо, может быть решена с помощью активно развивающихся в последнее время методов
и устройств поляризационной селекции [8-13], в основе которых лежат различия в изменении поляризационного состояния зондирующего сигнала наблюдаемым объектом и фоном. Знание поляризационных характеристик подстилающих поверхностей позволяет найти методы и синтезировать устройства обработки сигналов [14]. Однако, поляриметрический подход [15, 16] требует получения новых априорных сведений о структуре фоновых отражений. Исследования поляризационного состояния сигналов диапазона ММВ, отраженных от земных покровов, проводились многими исследователями, которыми получено большое количество экспериментальных данных и выявлены общие зависимости для некоторых типов поверхностей [6, 7, 17, 18]. Тем не менее, авторы отмечают необходимость проведения широких экспериментальных исследований поляризационных характеристик земных покровов при поиске решений конкретных задач, указывая на статистические свойства и низкую устойчивость получаемых результатов. Кроме того, имеет место взаимное влияние компонентов фона при определенных параметрах наблюдения, трудно поддающееся моделированию и выявляемое, как правило, в эксперименте, например, нарушение теоремы взаимности [19]. Поэтому, задача по экспериментальным исследованиям поляризационных характеристик поверхности остается актуальной, и практически важной.
Особым случаем является получение радиолокационных характеристик морской поверхности (МП). Сигнал, отраженный от МП, при использовании ММВ определяется капиллярными волнами, брызгами и пеной. [4, 6]. На формирование подобных мелкомасштабных структур, влияет скорость и направление ветра у поверхности воды, время его воздействия [20]. Большое разнообразие возможных состояний МП, а также трудность прогнозирования местных погодных условий, определяющих эти состояния, требуют проведения большого количества экспериментов для получения достаточного количества материала по радиолокационному
наблюдению, что очевидно, связано с немалыми затратами [20, 21].
Таким образом, экспериментальные исследования поляризационных характеристик МП обладают рядом недостатков. Основными из них являются большие материальные затраты на проведение исследований, влияние погодных условий, нестабильность результатов.
Существуют методы определения поляризационных характеристик отраженных радиолокационных сигналов от МП и надводных объектов, основанных на физическом моделировании и работающих в диапазоне ММВ радиоволн. Данные измерительные полигоны имеют значительные (близкие к реальным условиям) размеры, возможность приема поляризованных компонентов сигнала и высокая точность обеспечивается использованием приемников, работающих в диапазоне ММВ и имеющих высокую стоимость, что и является их недостатками [25] с.7, рис.12, (прототип).
Задачей, предлагаемой полезной модели, является уменьшение размеров и стоимости установки для моделирования отражений с поляризационными характеристиками, соответствующими диапазону ММВ.
Для достижения данной задачи предлагается установка состоящая из облучателя - инфракрасного (ИК) диода, имитатора морской поверхности, поляризационной пленки, оптической системы приемника, ПЗС - матрицы, носителя информации, сопряженных с персональным компьютером. Особенностью установки является использование поляризационной пленки вместо сложных радиолокационных устройств поляризационного приема.
Использование для измерений электромагнитных волн с длиной 850 нм позволило уменьшить размеры измерительного полигона до лабораторных площадей.
Одним из методов упрощения измерений и уменьшения измерительных полигонов являются масштабные изменения размеров цели,
опирающиеся на теорему подобия [22]. Согласно этой теореме, при размере цели, выраженном в длинах волн, действительные и мнимые величины диэлектрической и магнитной проницаемостей остаются неизменными при изменении частоты. Это позволяет, при уменьшении длины волны в k раз, во столько же раз уменьшить размеры макета цели, элементов фона и расстояние от измерительной установки до точки наблюдения (1)
0
M
0
M
где λ - длина волны для которой выполняются измерения; λ - длина волны, используемая при измерениях; L - размер элемента цели, фона; L - размер того же элемента макета; k - коэффициент подобия.
Полученные на масштабном полигоне величины, характеризующие эффективную площадь рассеяния (ЭПР) макета пропорциональны ЭПР реального объекта, согласно выражению (2)
0
M
где σ - ЭПР объекта; σ - наблюдаемая ЭПР макета.
Отмеченные выше принципы масштабного моделирования позволяют упростить процедуры получения поляризационных характеристик МП при наблюдении в диапазоне ММВ, путем переноса измерений из полевых в лабораторные условия. С этой целью создан масштабный измерительный полигон, основные задачи которого - получение поляризационных отношений в отраженном от МП сигнале, соответствующих диапазону ММВ и анализ результатов измерений.
На фиг 1 изображена схема установки для моделирования отражения радиоволн от морской поверхности. На фиг.2 показаны примеры для различных углов падения излучения (шероховатость фольги 0,04 мкм). На фиг.3 показан характер отражений от квазигладких поверхностей,
выявленный с помощью моделирования а) и в реальных условиях б). На фиг.4 показаны примеры изображений для различных углов падения, (шероховатость фольги 0,4 мкм). На фиг.5 показан характер отражений от шероховатых поверхностей, выявленный с помощью моделирования а) и в реальных условиях б). На фиг.6 показана зависимости поляризационных отношений от степени волнения выявленные с помощью моделирования а) и в реальных условиях б).
Установка (предлагаемая полезная модель) состоит из облучателя - инфракрасного (ИК) диода - 1, имитатора морской поверхности - 2, поляризационной пленки - 3, оптической системы приемника - 4, ПЗС - матрицы (приемник) - 5, носитель информации - 6, персонального компьютера - 7.
Описание работы предлагаемой полезной модели.
Получение поляризационных характеристик сигналов подразумевает раздельный прием составляющих сигнала по ортогональным каналам [13, 15, 16]. С помощью установки последовательно осуществляется раздельный прием ортогонально-поляризованных составляющих рассеянного исследуемыми образцами из алюминиевой фольги ИК излучения.
Излучение ИК диода имеет равные соотношения мощностей горизонтально и вертикально поляризованных составляющих. Приемник - ПЗС - матрица видеокамеры с оптической системой, формирующей диаграмму направленности (ДН) шириной 18°. Поворотом поляризационной пленки вокруг линии визирования обеспечивают раздельный прием ортогонально поляризованных составляющих отраженного излучения. Через низкочастотный аналоговый композитный вход - RCA телевизионного тюнера изображение поступает на персональный компьютер. На компьютере обрабатывают стоп-кадры, характерные для каждого измерения. Кадры переводятся в изображения с 256 - уровнями серого. Оценивают мощность сигнала по сумме отсчетов яркости
max
изображения ∑I(a, b). За максимальное значение I принимают величину, соответствующую наблюдению при расположении площадки с макетом участка МП под прямым углом к линии визирования (в этом случае мощности ортогональных составляющих сигнала равны и максимальны [14, 21]). Отражатель - исследуемые макеты МП - прямоугольные площадки размером 10×10 см, размещенные на фоне зачерненного матовой краской листа, что с учетом низкой светочувствительности ПЗС - матрицы можно считать условиями безэховой камеры.
0
M
0
M
M
При создании измерительной установки - основы измерительного полигона, величиной, определяющей параметры ее элементов, является коэффициент подобия (1), зависящий от λ и λ. В качестве λ выбрана длина волны 3.2 мм, соответствующая одному из окон прозрачности приземного слоя атмосферы [1-3], и широко использующаяся в радиолокационных системах ближнего действия, благодаря приемлемым габаритам и развитой элементной базе [2, 23]. λ определяется требуемыми габаритами измерительных полигонов, возможностями изготовления элементов модели МП и воспроизведения вносящих решающий вклад в отражения сигналов структур, возможностью аппаратурной реализации. Так как основной задачей проводимых работ является достижение возможности проведения требуемых измерений на площадях, не превышающих лабораторные (единицы метров), то в соответствии с (1) величина λ должна находиться в инфракрасном (ИК) или более коротковолновом диапазоне электромагнитных волн (ЭМВ), если считать максимальную дальность наблюдения за 20 км [1-3]. Выбор длины волны для измерений осуществлен из нескольких значений, определенных имеющейся в распоряжении элементной базой.
Очевидно, что использование волн с длинами 8 и 14 мкм противоречит целям работы, ввиду больших габаритов измерительного комплекса. Кроме того, изображения, полученные на указанных частотах,
в основном определяются термодинамическим контрастом поверхностей объектов наблюдения, тогда как в диапазоне ММВ изображение формируется за счет различия коэффициентов отражения [10]. Приемлемые габариты измерительного полигона можно получить, используя ЭМВ с длинной 850 нм, близость которых к видимому диапазону определяет решающее значение коэффициентов отражения в формировании изображения [24].
Точное масштабное моделирование требует, чтобы диэлектрическая и магнитная проницаемость модели на частоте измерения были равны соответствующим величинам на рабочей частоте. Этим требованием можно пренебречь, если материал объекта имеет относительно высокую электропроводность, как в рассматриваемом случае морская вода. Тогда электропроводность макета должна быть в k - раз выше электропроводности объекта [21]. При использовании для измерений ЭМВ с длиной 850 нм, в качестве материала модели МП подходит большинство металлов имеющих на три порядка более высокую электропроводность, чем морская вода, так как высокая точность отношения электропроводностей не требуется [22]. Для изготовления макета МП выбрана алюминиевая фольга, как наиболее удобный материал, благодаря доступности, пластичности и наличию образцов с различной шероховатостью.
В приложении 1 (табл.1) приведены геометрические характеристики элементов полигона в зависимости от длины волны.
Характеристики элементов установки приведены в приложении 2 табл.1.
На данной установке проведен ряд экспериментов по воспроизведению поляризационного состояния отраженных от МП ЭМВ диапазона ММВ с длиной волны 3,2 мм на масштабном измерительном полигоне, где измерения осуществляются с использованием ЭМВ длиной 850 нм. Цель данного исследования - обоснование возможности
получения поляризационных характеристик отраженных сигналов при использовании в качестве материала макета алюминиевой фольги, сравнение результатов с реальными измерениями.
Результаты измерений показали принципиальную возможность моделирования поляризационных отношений в сигналах диапазона миллиметровых радиоволн с длиной 3,2 мм, отраженных от морской поверхности, на базе масштабного измерительного полигона инфракрасного диапазона. Использование для измерений электромагнитных волн с длиной 850 нм позволило уменьшить размеры измерительного полигона до лабораторных площадей. Анализ результатов исследований отражающих свойств макетов морской поверхности, выполненных из алюминиевой фольги, показал совпадение с результатами исследований отражений радиоволн миллиметрового диапазона от реальной морской поверхности, при моделировании поляризационного состояния отраженных сигналов. На данной длине волны, при использовании алюминиевой фольги с шероховатостью 0,04 мм и 0,4 мкм воспроизведено поляризационные отношения, соответствующие отражениям от гладкой морской поверхности и поверхности с определенной волновой структурой. В целом высокое сходство полученных в ходе экспериментов данных с результатами реальных измерений подтверждает возможность и целесообразность использования предложенной установки для получения поляризационных характеристик морской поверхности для миллиметрового диапазона радиоволн.
Результаты исследований, подтверждающие эффективность и целесообразность использования данной установки приведены в приложении 3.
Предлагаемая полезная модель может быть использована для решения ряда задач возникающих в геодезии, картографии, а также при решении задач МЧС при обнаружении объектов в условиях задымления, туманов и других неблагоприятных условиях.
Литература
1. Андреев Г.А. Распространение миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере. «Проблемы современной радиотехники и электроники», т.1. - М.: Наука, 1980. С.139-163.
2. Айвазян Г.М. Распространение миллиметровых и субмиллиметровых волн в облаках / Г.М.Айвазян. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 480 с.
3. Быстров Р.П. Распространение короткой части миллиметровых и субмиллиметровых волн: возможные обрасти их применения / Р.П.Быстров, А.В.Соколов // Радиотехника. - 2006. - №5. С.11-18.
4. Кулемин Г.П. Рассеяние миллиметровых радиоволн поверхностью Земли под малыми углами / Г.П.Кулемин, В.Б.Разсказовский. - Киев: Наук. думка, 1987. - 232 с.
5. Андреев Г.А. Рассеяние миллиметровых волн шероховатыми поверхностями / Г.А.Андреев, Л.Ф.Черная // Радиотехника. - 1980. - №3. С.78-81.
6. Гутник Г.В. Особенности обратного рассеяния радиоволн сантиметрового и миллиметрового диапазона морской поверхностью при малых углах скольжения / Г.В.Гутник, Г.П.Кулемин, Л.И.Шарапов // Успехи современной радиоэлектроники. - 2005. - №1. С.3-19.
7. Шорохова Е.А. Некоторые особенности рассеяния электромагнитных волн на статистически неровных земных покровах в миллиметровом диапазоне волн / Е.А.Шорохова, А.В.Кашин // Известия вузов. Радиофизика. - 2005. - т.XL VIII. - №6.
8. Козлов А.И. Развитие радиополяриметрии в России / А.И.Козлов, А.И.Логвин // Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники. - 1999. - №7. С.62-71.
9. Луценко В.И. Поляризационно-спектральная селекция целей на фоне местности / В.И.Луценко // Успехи современной радиоэлектроники. - 2007. - №9. С.76-88.
10. Зражевский А.Ю. Особенности и возможности поляризационного стереовидения в ММ-диапазоне волн / А.Ю.Зражевский, В.А.Годунов и др. // Радиотехника. - 2006. - №5. С.19-29.
11. Детков А.Н. Метод моделирования поляризационных портретов искусственных распределенных объектов / А.Н.Детков, Д.А.Ницак // Радиотехника. - 2007. - №11. С.77-81.
12. Евдокимов Н.О. Экспериментальные исследования деполяризующих свойств малоразмерных наземных объектов в целях повышения эффективности их обнаружения на фоне пассивных помех / Н.О.Евдокимов, Т.А.Маршалов, А.Ю.Барзаковский // Радиотехника - 2008. - №3. С.56-58.
13. Козлов А.И. Поляризация сигналов в сложных транспортных радиоэлектронных комплексах / А.И.Козлов, В.А.Сарычев. - СПб.: Хронограф, 1994.
14. Финкильштейн М.И. Основы радиолокации / М.И.Финкильштейн. - М.: Радио и связь, 1983. - 535 с.
15. Козлов А.И. Поляризация радиоволн. Поляризационная структура радиолокационных сигналов. Кн. 1 / А.И.Козлов, А.И.Логвин, А.И.Сарычев. - М.: Радиотехника, 2005. - 704 с.
16. Козлов А.И. Поляризация радиоволн. Радиолокационная поляриметрия. Кн. 2 / А.И.Козлов, А.И.Логвин, А.И.Сарычев. - М.: Радиотехника, 2007. - 640 с.
17. Яманов А.Д. Поляризационные характеристики подстилающих покровов в миллиметровом диапазоне волн / А.Д.Яманов // Научные вестник МГТУ ГА. Серия радиофизика и радиотехника, 2008. - №126. С.99-106.
18. Кулемин Г.П. Обратное рассеяние миллиметровых волн морской поверхностью / Г.П. Кулемин // Зарубежная радиоэлектроника, - 1996. - №7. С.16-28.
19. Детков А.Н. Алгоритм обработки сигналов в поляриметрической РЛС с синтезированной апертурой антенны в режиме оценки топографического рельефа земли / А.Н.Детков, Д.А.Ницак, В.А.Объедков // Информационно-измерительные и управляющие системы - 2006. - Т. 4.- №7. С.15-23.
20. Бородай И.К. Мореходность судов / И.К.Бородай, Ю.А.Нецветаев. - Л: Судостроение, 1982. - 286 с.
21. Справочник по радиолокации: В 4-х т.; пер. с англ. / под. ред. М. Сколника. - М.: Сов. радио, 1976. - T.1 - 456 с.
22. Стреттон Дж. Теория электромагнетизма / Дж. Стреттон. - Л.: ГИТТЛ, 1949.
23. Макмиллан Р.У. Источники излучения ближнего миллиметрового диапазона / Р.У.Макмиллан // - 1987. - т.75. - №4. С.96-119.
24. Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения / Лазарев Л.П. - М: Машиностроение, 1989. - 512 с.
25. Розанов Б.А. Приемники миллиметровых волн / Б.А.Розанов, С.Б.Розанов. - М.: Радио и связь, 1989. - 168 с.
Приложение 1
Таблица 1Геометрические размеры элементов модели в зависимости от длины волны
длина волны
λ<sub>0</sub>
λ<sub>М</sub>
3,2 мм
850 нм
8 мкм
14 мкм
коэффициент подобия
1
3750
400
230
дальность наблюдения
20000 м
5,3 м
50 м
87 м
показатели состояния МП
средняя высота /длина волны, для волнения 4 балла
2/40 м
0,53/10,6 мм
5/100 мм
8,7/173 мм
средняя высота /длина волны, для волнения 2 балла
0,8/16 м
0,2/4,2 мм
2/40 мм
3,5/70 мм
средняя высота /длина волны, капиллярные волны
4/20 мм
1/5,3 мкм
10/50 мкм
17/86 мкм
высота неровностей для выполнения условия шероховатости
800 мкм
0,21 мкм
2 мкм
3,5 мкм
Приложение 2
Таблица 1Характеристики измерительной установки
приемник
облучатель
поляризационный фильтр
ПЗС - матрица видеокамеры Panasonic NV RX 30
ИК-диод ЕDЕI-1LА3
чувствительность по освещенности
диапазон дин волн по λ
ширина ДН
длина волны
ширина ДН
сила излучения
мощность
тип поляризации
0,3 мВт/м<sup>2</sup>
400-900 нм
18°
850 нм
140°
50 мВт/стер
0,3 Вт
линейный
Приложение 3
Результаты измерений
Исследованы отношения ортогонально-поляризованных составляющих в сигнале для макетов морской поверхности (МП), изготовленных из алюминиевой фольги разной шероховатости, с искусственно созданными неровностями, соответствующими различной степени волнения МП, размеры которых приведены в приложении 1 табл.1. Контроль оптическим микрометром на соответствие образцов критериям шероховатости позволил подобрать материал для изготовления макетов, имитирующих гладкую МП и шероховатую, то есть МП с мелкими капиллярными волнами. Из имеющихся в распоряжении материалов были выбраны: полированная алюминиевая фольга с шероховатостью 0,04 мкм (в соответствии с приложением 1 (табл.1) условие гладкости сохраняется - высота неровностей меньше 0,21 мкм), оксидированная фольга с той же шероховатостью, фольга с шероховатостью 0,4 мкм (соответствует критерию шероховатости - высота неровностей больше 0,21 мкм).
2
3
Исследования отражающих свойств полированной алюминиевой фольги, как и ожидалось, продемонстрировали зеркальные свойства этой поверхности - соотношение ортогонально-поляризованных компонент определяется падающим излучением (в опыте, поляризационное отношение на всех углах падения близко к единице). Наличие оксидной пленки на другом образце из алюминия существенно изменили поляризационные соотношения на приеме. При увеличении угла падения наблюдается преобладание вертикально поляризованных компонент в сигнале (примеры изображений приведены на фиг.2.). Существенная разница обнаруживается на углах падения от 20° до 60°. Максимальная разница наблюдается при угле падения 30°. Полученная картина (фиг.3, а) объясняется диэлектрическими свойствами оксидной пленки алюминия - AlO (относительная диэлектрическая проницаемость - 3), что соответствует характеру отражений от квазигладких диэлектрических поверхностей (фиг.3, б), определяемому коэффициентами отражения Френеля.
Характер отражения электромагнитных волн от шероховатых поверхностей (МП с мелкими капиллярными волнами) с неровностями, размеры которых соответствуют критериям шероховатости удалось воспроизвести на образце - алюминиевой фольге с размерами неровностей 0,4 мкм. Примеры изображений приведены на фиг.4. Как характерно для шероховатых тел, имеющих диффузное рассеяние, интенсивность отражения слабо зависит от поляризации (линии для горизонтальной и вертикальной поляризаций на фиг.5, а совпадают). В большинстве случаев подобное рассеяние подчиняется закону Ламберта, устанавливающего зависимость от угла падения (фиг.5, б), как для вертикальных, так и для горизонтально-поляризованных компонент.
Зависимость отношений вертикально-поляризованных составляющих к горизонтальным от степени волнения исследовалась на образцах фольги с шероховатостью 0,04 мкм). Механическим воздействием на образце задавался рельеф, высоты и период неровностей которого соответствовали различному состоянию МП. Контроль соблюдения размеров структур образца осуществлялся с помощью оптического микрометра. На фиг.6, а линией 1 показана зависимость отношения сумм от счетов яркости ортогонально-поляризованных составляющих от угла скольжения для гладкой фольги (спокойное море). Линия 2 получена при работе с образцом со структурой, имитирующей волнение в 4 балла. Линии 3 и 4 показывают характер отражений от образца с размерами неровностей, соответствующих капиллярным волнам (линия 3 в направлении максимальной частоты неровностей, линия 4 - минимальной). Данная картина повторяет представленные на фиг.6, б зависимости, построенные на основании исследований отражений волн диапазона ММВ от МП [4, 5, 6, 18, 21]. По утверждению авторов волнение поверхности частично разрушает зеркальность отражений и определяет ряд закономерностей, основные из которых: уменьшение зависимости интенсивности отражений от поляризации с ростом волнения; превышение уровня сигнала с горизонтальной поляризацией при бурном волнении, зависимость поляризационных отношений от направления гребней волн относительно оси наблюдения и направления ветра. При сильном ветре отражения от МП в диапазоне ММВ обусловлены капиллярными волнами, что и объясняет слабую зависимость от поляризации. Так, линия 1 (фиг.6, б) характеризует поляризацию отраженных ЭМВ от МП при слабом ветре, линия 2 - при ветре 3-7 м/с (только гравитационные волны), линия 3-5-11 м/с (гравитационные и капиллярные волны).