Экспериментальные измерения поляризационно-доплеровских портретов радиолокационных объектов

В реальных разностно-дальномерных системах опорный сигнал может быть получен в одном из пространственно-разнесенных пунктов.

Априорная информация о характеристиках канала может быть получена при помощи электронной карты местности.

Библиографический список

Кеннеди Р. Каналы связи с замираниями и рассеянием / Пер. с англ.; Под ред. И. А. Овсеевича. М.: Сов. радио, 1973. 304 с.

A. A. Savin, V. I. Tislenko

Tomsk state university of control systems and radioelectronics

The comparative analysis of definition algorithms of a pulse signal arrival time in multipath radiowaves distribution

This work presents the results of signal time arrival estimation algorithms research. An optimal, correlative and threshold algorithms in the presence of signal form frequency-selective distortions are analyzed. Gaussian model of a troposphere multipath channel are used. The estimation accuracy statistical characteristics of a signal position time are obtained by a mathematical modelling method. The work contains results of an experimental data processing, which received on a real near-surface signal trace.

The signal arrival time, the multipath channel, algorithm, root mean square error

Статья поступила в редакцию 10 октября 2006 г.

УДК 621.396.96

В. А. Бутько, Д. М. Носов, А. С. Сурков, В. А. Хлусов

Томский государственный университет систем управления

и радиоэлектроники

Экспериментальные измерения поляризационно-доплеровских портретов радиолокационных объектов

Приведены результаты экспериментальных когерентных измерений матриц обратного рассеяния различных типов подстилающей поверхности (море, суша), а также сосредоточенных радиолокационных объектов искусственного и естественного происхождения. Экспериментальные данные получены в ходе натурных испытаний макета когерентной поляризационной РЛС с полным поляризационным сканированием трехсантиметрового диапазона, позволяющей оценивать комплексный матричный спектр, определяющий поляризационно-доплеровский портрет радиолокационного объекта.

Поляризационно-доплеровский портрет, комплексная матрица обратного рассеяния, матричный спектр, полное поляризационное зондирование

Стремительное развитие цифровой когерентной техники формирования и обработки сигналов открывает новые возможности при решении задач дистанционного зондирова-

66

© Бутько В. А., Носов Д. М., Сурков А. С., Хлусов В. А., 2006

ния окружающей среды. Цифровое представление сигналов позволяет реализовать алгоритм оценки матричной функции отклика (МФО) радиолокационного объекта, в которой отображаются как координатные, так и поляризационные его параметры. МФО пространственно-распределенного нестационарного объекта (ПРНО) £ определяет его поляриза-ционно-доплеровский портрет и является развитием понятия матрицы обратного рассеяния. Такая матрица формализует преобразование вектора ид, описывающего комплексные амплитуды ортогональных по поляризации составляющих плоской зондирующей волны поля, в вектор и р, описывающий плоскую отраженную строго в обратном направлении волну при дифракции поля на неподвижном "точечном" объекте: ир = £ио . МФО £ с размерами 2 х 2 задана четырьмя комплексными коэффициентами . МФО к-го точечного объекта, расположенного на дальности 2 (тк - задержка отклика от объекта относительно зондирующего сигнала; с - скорость распространения электромагнитного поля) и движущегося с радиальной скоростью Ук , задается соотношением

gk (т,О) = 5,О.^), где Ок = 2Ук/- доплеровская частота (- длина волны зондирующего сигнала); 5 (, ) - дельта-функция, заданная на плоскости "время прихода -частота Доплера" в точке, с координатами тк, Ок. Отраженный векторный сигнал ирк (г, ю) определяется двухмерной матричной сверткой: ирк (г, ю) = gk (т, * и0 (г, ю) =

= (т,О)ио (г-т,ю-О)ётёО .

В рамках концепции "блестящих точек" для фиксированного ракурса ПРНО можно представить в виде совокупности N элементарных отражателей, распределенных по пространству и имеющих в общем случае различные дальности Б и радиальные скорости движения Ук относительно точки визирования, а также различные матрицы обратного

рассеяния ¿к  При этом матричная функция отклика распределенного объекта О^

N

имеет вид О^ (т, О) = ^ 8 (т^, Ог) £ [1].

к=1

Алгоритм оценки поляризационно-доплеровского портрета объекта. В работе [1] показано, что при наблюдении отраженного сигнала в присутствии "белой" неполяри-

зованной помехи оптимальная оценка О^ (т, ) функции отклика О^ (т, О) формируется как результат двухмерной векторной свертки отраженного ир (г, ю) и зондирующего ид (г, ю) векторных сигналов, заданной соотношением

3

где "О" - знак векторной свертки; " - знак умножения по Кронекеру; ^ - знак эрмитовою сопряжения; "*" - знак обычной свертки; Хд ^, ю) = и0 ю) О и0 (т, О). При этом зондирующий векторный сигнал ид (t, ю) должен удовлетворять следующему требованию: скалярные сигналы / (t, ю), / (t, ю), определяющие частотно-временную структуру

ортогональных по поляризации компонентов вектора и0 (^ ю) = [/ ^, ю); /2 (t, ю)] ,

должны быть некоррелированы для всех возможных относительных сдвигов по частоте и времени [1]. Такие сигналы называют ортогональными в частотно-временной области [2]. Обобщенная схема реализации алгоритма (1) оценки МФО радиолокационного объекта представлена на рис. 1.

Ортогональные узкополосные радиосигналы / ^, ю), /2 (t, ю) с выхода формирователя векторного зондирующего сигнала (ФЗВС) ид (t, ю) поступают на питающие ортогональные по поляризации фидеры поляризационного разделителя (ПР) облучателя антенны полного поляризационного приема и излучаются в пространство, образуя в дальней зоне антенны волновой пакет, описываемый вектором ед. Отраженный волновой пакет ер принимается той

же антенной и на ортогональных по поляризации выходах ПР формируются радиосигналы /р1 (t, ю), /р2 (t, ю) - компоненты отраженного векторного сигнала ир (t, ю) . Эти радиосигналы поступают на входы двухмерных фильтров СФ1 и СФ2, согласованных с излученными сигналами / ^, ю), /2 (t, ю) соответственно. На выходе фильтров формируются радиосигналы (t, ю), амплитуда и фаза которых являются, соответственно, оценками элементов Оу (т, матричной функции отклика О^ (т, О) пространственно-распределенного нестационарного объекта.

При практической реализации алгоритма работы схемы по рис. 1 в качестве сигналов /1 ^, ю), /2 (t, ю) были использованы две ортогональные последовательности (пачки) из М радиоимпульсов со случайной фазой, формировавшиеся двумя импульсными передатчиками. При этом в момент излучения в цифровой форме регистрировались квадратурные компоненты импульсов каждой

е0

4е"

е

ФЗВС

•11 & к =>

•12 &  ) =>

•21 (t,  ) =>

,_, •22

/р2 Ь) У

О^

зондирующей пачки. При приеме регистрация квадратур ортогональных по поляризации составляющих /р1

отраженного векторного сигнала ир ^, ю)

производилась также в цифровой форме для каждого из стробов разрешения системы по дальности. Квадратуры излучаемых и принимаемых сигналов формировались относительно высокостабильного опорного

Рис. 1

гетеродина приемника. Двухмерная векторная свертка излученного и принимаемого векторных сигналов проводилась на программном уровне в процессоре устройства обработки регистрируемых данных в соответствии с алгоритмом (1). Потенциальные возможности макета, который использовался для измерения поляризационно-доплеровских свойств объектов, определялись следующими параметрами: частота зондирующего сигнала 9450 МГц, длительность излученного импульса 0.7 мкс, частота повторения импульсов 2 КГц, ширина диаграммы направленности антенны 1°, собственные поляризации антенны линейные (горизонтальная - Н и вертикальная - V), разрядность цифрового представления сигналов 12, максимальное разрешение по частоте Доплера 0.25 Гц, количество одновременно регистрируемых стробов дальности 256.

Результаты натурных измерений. На рис. 2-4 представлены результаты измерений матричных доплеровских спектров

3\2 (г, ю), ^21 (г,ю), ^22 (г,ю) (см. рис. 1), соответственно, отсчитанных в момент времени г = ^ - Тк (^ - момент излучения отдельного импульса пачки зондирующего векторного сигнала). Совокупность этих функций образует матричный доплеровский спектр объекта, находящегося в стробе дальности, соответствующем задержке %к отраженного сигнала относительно момента излучения.

Рис. 2

Рис. 4

На рис. 2 приведен МДС отражений от морской поверхности при волнении 2-3 балла, угле места визирования примерно 1° и дальности около 6.5 км. На рис. 3 представлен МДС для отражений от зоны выпадения слабого дождя над поверхностью моря на дальности около 20.5 км. На рис. 4 - МДС отражений от движущегося рыболовецкого судна на дальности около 22.8 км при волнении моря 1-2 балла.

Анализ экспериментальных данных. Для морской поверхности (рис. 2) кривые спектральной плотности элементов НН, УУ (ко-поляризованные компоненты отраженного сигнала), НУ, УН (кросс-поляризованные компоненты) матричного доплеровского спек-70

тра близки к гауссовским с шириной 80... 100 Гц по уровню - 3 дБ. Величина смещения спектров зависит от направления зондирования относительно направления ветра и достигает максимальных значений при ориентации луча радиолокатора по ветру или против него (±100 Гц в проведенных измерениях). Максимальная дистанция, с которой наблюдались отражения от поверхности моря, не превышала 12 км.

Отражения от зоны выпадения дождя (рис. 3) имеют высокий уровень ко-поляризо-ванных и низкий (на уровне поляризационной развязки) уровень кросс-поляризованных компонент. Ширина спектров ко-поляризованных компонент лежит в интервале 40.65 Гц, что соответствует среднеквадратическому разбросу радиальных скоростей рассеивателей, находящихся в объеме разрешения, 0.6.1 м/с.

Для надводного судна (рис. 4) характерны узкие спектры элементов матрицы рассеяния. Основная доля энергии отраженного сигнала сосредоточена в одной ячейке разрешения по доплеровской частоте.

За период измерений на жесткий диск ЭВМ записано 362 файла данных. Записи файлов проведены при неподвижной приемно-передающей антенне. Каждый из файлов содержит последовательности из М = 1024 отсчетов квадратур выходных радиосигналов согласованных фильтров системы рис. 1 для каждого из 128 элементов разрешения РЛС по дальности. Длительность каждой записи составляла 2 с. Анализ полученных данных показал, что для измеренных МДС соотношение £ун = ¿ну выполняется с погрешностью, обусловленной шумами приемных каналов, что служит свидетельством взаимности свойств обратного рассеяния исследуемых объектов (море, дождь, судно). Статистическая обработка полученных данных, выходящая за рамки настоящей статьи, позволила сделать вывод о том, что в наибольшей степени различия в поляризационных характеристиках пространственно-распределенных нестационарных во времени объектов проявляются в коэффициентах взаимной корреляции элементов их матричного доплеровского спектра.

Полученные экспериментальные данные о поляризационно-доплеровской структуре отражений от сосредоточенных и распределенных нестационарных объектов, представленные в виде матричных доплеровских спектров, могут быть использованы при решении задачи количественной оценки повышения качества радиолокационных систем обнаружения и распознавания объектов при учете их поляризационно-доплеровских свойств. Дальнейшие усилия авторов статьи направлены на создание макета поляризационно-доп-леровской РЛС, формирование зондирующего сигнала которой основано на применении сложных сигналов с большой базой. Это позволит производить оценку поляризационно-доплеровских портретов радиолокационных объектов по одному зондирующему пакету поля. При этом будет исключена неоднозначность доплеровских измерений для всех возможных на практике доплеровских скоростей объекта.

Библиографический список

1. Хлусов В. А. Обобщенная взаимно-корреляционная матричная функция излученного и рассеянного векторных сигналов активных однопозиционных систем // Докл. Томск. гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники. Т. 4. Радиотехнические системы и распространение радиоволн: Сб. науч. тр. Томск: Изд-во ТГУ, 2000. С. 165-170.

2. Френкс Л. Теория сигналов / Пер. с англ.; Под ред. Д. Е. Вакмана. М.: Сов. радио, 1974. 343 с.

Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2006. Вып. 6======================================

V. A. Butko, D. M. Nosov, A. S. Surkov, V. A. Khlusov Tomsk state university of control systems and radioelectronics

Experimental measurement of Doppler polarization images of radar objects

Results of coherent experimental measurements of backscattering matrix for different types of underlying surface (sea, ground) and for the local natural or artificial radar objects are presented. These experimental data were obtained during the full-scale test of polarization coherent X-band radar with full polarization sounding, allowing to estimate complex backscattering matrix spectrum defining Doppler-polarization images of the radar objects.

Doppler-polarization image, complex backscattering matrix, matrix spectrum, full polarization sounding

Статья поступила в редакцию 16 ноября 2006 г.

УДК 621.396.962.33

Д. В. Пурик

Томский государственный университет систем управления

и радиоэлектроники

Восстановление характеристик рассеяния земной поверхности в РЛС с синтезированной апертурой

Рассмотрена задача восстановления характеристик рассеяния земной поверхности в РЛС с синтезированной апертурой в наиболее общей постановке. Получено математическое описание процесса рассеяния сигнала и алгоритма оптимальной обработки принимаемого сигнала. Показано, что полученный алгоритм позволяет более полно использовать информацию о рассеивающих свойствах земной поверхности по сравнению с базовым алгоритмом обработки сигналов в РЛС с синтезированной апертурой, а значит, повысить качество формируемого радиолокационного изображения.

Дистанционное зондирование, поляризация сигналов, радиолокация, рассеяние волн, синтезированная апертура

Радиолокационные системы с синтезированной апертурой (РССА) являются эффективным средством обзора поверхности Земли для формирования радиолокационных изображений (РЛИ), отображающих рассеивающие свойства этой поверхности, с высоким разрешением, приближающимся к разрешению оптических изображений. В отличие от оптических изображений, РЛИ могут быть получены независимо от времени суток, состояния облачности и осадков, что является существенным преимуществом РССА. Использование поляризационных методов в РССА позволяет значительно повысить информативность РЛИ и вероятности распознавания находящихся на них объектов.

Ведущие специалисты в области РССА [1], [2] отмечают ограничения базового алгоритма формирования РЛИ и необходимость в разработке более совершенных алгоритмов. Кроме того, для осуществления поляризационного анализа в РССА используется метод с переключением поляризации зондирующего сигнала, который приводит к ошибкам формирования РЛИ, хотя существуют и методы "моноимпульсного" полного поляризационного анализа [3]. Поэтому