Измерение углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

РГ6 он

1 ? т !И0

ШВЫРЕВ Борис Анатольевич

ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ ПО ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СТРУКТУРЕ ПОЛЯ

01.04.03 - радиофизика

Автореферат ии на соискание уч> кандидата физики - математических наук

лЬ

диссертации на соискание ученой степени //) 1

ж

^ , С

XV .- ■---<-А' 4-у/

►

Работа выполнена в Воронежском институте МВД России.

Научный руководитель: доктор физико - математических наук,

профессор ЛУКИН А.Н. ,

Официальные оипонсщ ы: доктор челличесхнх .наук,

' профессор, заслуженный деятель

.. , науки и техники РФ

ЯРЫГИН А.П.

кандидат физико - математических наук, доцент КОНОНОВ А.Д.

Ведущая организация: Федеральный научно - производственный

центр "Воронежский НИИ связи"

Защита состоится « 21 » декабря 2000 г. в 17 часов на заседании диссертационного совета Д 063.48.06 в Воронежском госуниверситете по адресу: 394693, г. Воронеж, Университетская пл.,!, конференц. зал.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Воронежского госуннверситете.

Автореферат разослан « 20 » ноября 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного сопета /у / В.К. МАРШАКОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Измерение углового положения источника излучения зычно выполняют, оценивая положение эквифазной поверхности путем изме-гния значения фаз поля в различных точках приемной антенны.

Точность оценки углового положения источника излучения определяется гношением длины волны к размеру апертуры приемной антенны. Поэтому для змерения углового положения источника излучения с высокой точностью тре-уется антенна большого в длинах волн размера. Кроме этого, когда размеры риемной антенны соизмеримы с дальностью до источника излучения, из-за ривизны его волнового фронта, точность оценки углового положения источ-ика излучения ухудшается.

Другой способ измерения углового положения источника излучения по оляризационной структуре поля его волны предварительно, до регистрации, рошедшей через гиротропную или анизотропную неоднородность среды. В гом способе отношение длинны волны к поперечным размерам приемной ан-сниы уже не является фактором, определяющим точность оценки углового по-ожения, а зависит от разности действия среды на компоненты вектора элск-ромагнитного поля ортогонального поляризационного базиса. Здесь, неодно-одная среда, которая помещается на пути между источником излучения и при-мной антенной, выполняет роль трансформатора волнового вектора в поляри-ационную структуру поля волны. В связи с этим представляет научный и раетический интерес исследовать применение неоднородных сред с различ-ыми изотропными и анизотропными параметрами неоднородностей естест-ениого и искусственного происхождения для оценки углового положения ис-очника излучения с точки зрения предельных точностных характеристик ценки.

Таким образом, актуальность темы обусловлена необходимостью иссле-овать влияние изотропных и анизотропных неоднородностей среды с различим» электродинамическими параметрами на точностные характеристики цепки углового положения источника излучения по поляризационной струк-уре поля.

Целью работы является: исследование предельных точностных характе-1истик оценки углового положения источника излучения по поляризационной труктуре поля при использовании неоднородных сред естественного и искус-гвенного происхождения с различными электродинамическими параметрами [зотропных и анизотропных неоднородностей.

Задачи исследования.

1. Разработать модель измерительного сигнала прошедшего изотропные и низотропные неоднородности среды, и описать его поляризационную структу-'У-

2. Выполнить синтез оптимального алгоритма обработки поляризацион-юй структуры поля волны прошедшей изотропные и анизотропные неоднород-

ности среды.

3. Определить точностные характеристики оценки углового положение источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошедшей изотропные и анизотропные неоднородности среды при различных электродинамических параметрах этих сред.

Методы проведения исследования. При решении поставленных в диссертации задач использовались аналитические и вычислительные методы современного математического аппарата статистической радиофизики, методы электродинамики, методы математической статистики.

Научная новизна. На защиту выносятся следующие результаты, впервые достаточно подробно развитые или впервые полученные в настоящей работе:

¡.Алгоритмы оптимальной обработки поляризационной структуры поля волны прошедшей изотропные и анизотропные неоднородности среды при различных электродинамических параметрах.

2. Аналитическое выражение для расчета потенциальной точности оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошедшей изотропную неоднородность среды и ионосферную плазму.

3. Описание поляризационной структуры измерительного сигнала прошедшего ограниченную магнитоактивную плазму газового разряда.

4. Статистические модели случайных процессов изменения во времени значений напряженности ортогональных компонент линейного поляризационного базиса поля волны УКВ диапазона прошедшей ионосферную плазму слоя Б, а также их разности фаз.

Практическая ценность работы. Исследовано влияния изотропных и анизотропных неоднородностей среды естественного и искусственного происхождения с различными электродинамическими параметрами на точность оценки углового положения источника излучения. Полученные результаты позволяют выбрать параметры неоднородности среды и алгоритм оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля в зависимости от имеющейся априорной информации и от требований, предъявляемых к точности оценки, сектора оцениваемых углов и к степени простоты технической реализации. Полученные результаты могут найти применение в радиолокации, пассивной локации, в системах радиосвязи и др.

Внедрение научных результатов. Полученные в диссертации результаты внедрены в научно - исследовательский и учебный процесс в Воронежском институте МВД России.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1. Межвузовской научно - практической конференции "Повышение помехоустойчивости технических комплексов охраны и системы защиты информации". Воронеж, 1996.

2. VI Международной конференции "Информатизация правоохранитель-

ых систем". Москва, 1997.

3. Всероссийской научно-практической конференции "Охрана - 97". Во-онеж, 1997.

4. Научно-практической конференции ВВШ МВД РФ. Воронеж, 1997.

5. III Международной электронной научной конференции "Современные роблемы информатизации". Воронеж, 1998.

6. IV Международной научно-технической конференции "Радиолокация, [авигация, связь". Воронеж, 1998

7. III Всероссийской научно - практической конференции "Охрана - 99". Воронеж, 1999.

8. Межвузовской научно - практической конференции. Воронеж, 2000.

Публикации. По теме диссертации опубликованы работы /1-17/.

Объем и структура диссертационной работы. Диссертация состоит из ведения, трех разделов, заключения, списка литературы, включающего 118 1аименований. Объем диссертации составляет 171 страницу, включая 115 страниц основного текста, 47 страниц рисунков и 9 страниц списка литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации обсуждается актуальность темы исследова-[ия. Сформулирована цель работы, в аннотированном виде изложены основные >езультаты диссертационной работы.

В первом разделе диссертации рассмотрено измерение углового положе-1ия источника излучения по поляризационной структуре поля волны переизлу-[енной изотропной неоднородной средой. На основе известных публикаций шределены ограничения на точность оценки углового положения источника 1злучения интерферометрическим способом. На основе электродинамики не->днородных сред, для плоской границы раздела записаны модели сигналов отуженного и прошедшего слой изотропного диэлектрика и представлены в матичном виде

E(t,9)=rS(t,0), (1.30)

SXc(t,£>) Syc{t,0) -S.xsi'J) ~Sys(t,ey

?o - амплитуда сигнала; <р» - начальная фаза; со - частота источника излучения; \j - угол образуемый вектором напряженности электрического поля волны и шоскостью падения волны; Dx{ß), Ьу(0) - комплексные коэффициенты ха-

>актеризующие распространение волн в неоднородной среде для ортогонально юляризованных компонент поля; <р* и ру - аргументы соответствующих коэффициентов, в-угловое положение источника излучения.

Прием сигнала (1) осуществляется на фоне аддитивного гауссова белого цума одинакового в каждом канале приемника с нулевым средним значением и : односторонней спектральной плотностью jVq. Таким образом, на интервале

■де /r = ||£0cos(^) £0sm(po)||; S(t,0) =

[0,7] наблюдению доступна реализация случайного процесса.

£=я+лС). О

где Е-^ЕХ(1,90) ||; и(') = ||%(0 пу('1\> да - истинное значение уг-

лового положения источника излучения.

На основе метода максимального правдоподобия синтезирован алгоритм обработки поляризационной структуры поля отраженной и поля прошедшей волны изотропную неоднородностью среды. В условиях высокой апостериорной точности г2»!, где г2 - отношение сигнал/шум на выходе приемника, найдена дисперсия оценки углового положения источника излучения по полю отраженной и полю прошедшей волны слой диэлектрика

(¿\рЩ2 ] IоМ2\рлв)\2

I ^ ) \ьлв)\2 +\Ш

я(а,/#>)=Ы

дв

асрх{в) дсру{в) 09 дв

1

дв

(3)

Показано, что точность оценки углового положения источника излучения определяется разностью комплексных коэффициентов, характеризующих распространение волн в неоднородной среде для ортогонально поляризованных компонент поля волны.

На рис.1, рис.2 представлена дисперсия оценки углового положения, рассчитанная по (3), для изотропной непроводящей неоднородности среды от её толщены. Анализ дисперсии оценки показал, что разрешающая способность по угловой координате определяется изменениями поляризации волны на границе раздела двух сред. Использование толщины изотропной неоднородности для оценки углового положения источника излучения, при которой для произвольного угла падения волны на границу раздела сред оптический путь волны в неоднородности кратен Л/4, не приводит к увеличению точности оценки, наблюдаемой при толщине изотропной непроводящей неоднородности, много меньшей длинны волны. Показано, что на скользких углах падения больших угл; Брюстера, с увеличением диэлектрической проницаемости переизлучающсл изотропной непроводящей неоднородЕюети точность оценки углового положе ния растет.

На рис.3 - рис.4 представлена дисперсия оценки углового положени: рассчитанная по (3) для изотропной проводящей неоднородности среды от е( толщены. С увеличением проводимости и толщины слоя дисперсии оценки уг лового положения источника излучения по поляризационной структуре пол: волны, прошедшей изотропную проводящую неоднородность, линейно увели чивается. С увеличением проводимости и толщины слоя дисперсия оценки уг лового положения источника излучения по поляризационной структуре пол

(0) 1 0.1 1.01 ю-3

0 ЛУ4 Ж ХЗ/4 ЦХ Рис. 1 Дисперсия оценки по полю волны отраженной непроводящей средой от толщены переизлучающего слоя Ь»Я (X -длинна волны) - кривая 1, от толщены пе-оеизлучаюшего слоя от 0 ао Я - коивая 2.

4 1 62=15, 0=70°

1, О2=1ом''м_1

2, е>г=0. ^мГ'м"1

===

Ё2=5,0= =70° —

•

ЕЕ= 1 - Г--Ьг^Е^Е

0 А/4 № АЗ/4 и\ Рис. 2 Дисперсия оценки по полю волны прошедшей непроводящую среду от толщены переизлучающего слоя и» А - кривая 1, от толщены переизлучающего слоя от 0 до Я - кривая 2.

0.01

ЯЗ/4

Рис. 3 Дисперсия оценки углового положе- Рис. 4 Дисперсия оценки углового положения ния источника излучения по поляризаци- источника излучения по поляризационной очной структуре поля волны прошедшей структуре поля волны отраженной прово-пцоводящую соеду от толщины слоя. дяшей средой от толщины слоя,

волны отраженной изотропной проводящей неоднородностью асимптотически приближается к некоторому среднему значению, определяемому толщиной неоднородности равной скин-слою. Показано, что наибольшая точность оценки углового положения источника излучения для широкого сектора углов достигает при использовании изотропных неоднородностей с комплексной диэлектрической проницаемостью, имеющей равные действительную и мнимую части. Наибольшая точность оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля в узком секторе углов получается для изотропных неоднородностей с достаточно произвольными электродинамическими параметрами в окрестности угла Брюстера.

Выполнены экспериментальные измерения углового положения источника излучения по разности фаз компонент ортогонального базиса поля отраженной и поля прошедшей волны изотропную проводящую неоднородность, путем регистрации напряжения на выходе приемного устройства, построенного на ба-

зе поляризационного интерферометра. Проведенные измерения подтвердили увеличение точности оценки углового положения источника излучения по мере приближения к равенству действительной и мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости изотропной неоднородности.

Во втором разделе диссертации рассмотрено измерение углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошедшей ионосферную плазму. Записана модель сигнала прошедшего ионосферную плазму с учетом наложения эффектов Котгона-Мутона и Фарадея, без учета вращения плоскости поляризации Рытова, поскольку рассматривается плоскослоистая модель ионосферы с параболическим законом изменения концентрации с высотой. Действительное значение поля волны на выходе из слоя ионосферной плазмы имеет вид

ЕХ = 9 + V1 + )со!(ю< - ктх + <рХо) + ЕГ0 вЦсу/ - ктх + $>у0) +

+ + л/' + 92)со5(<а( - кт2 + <рхо) ~ -Еуо5'"^' ~ кт2 + У'го)]'

ЕГ = + ^ + + ~ кт1 + ЕХ0 ¡¡т(<М - ктх + <рх0) +

+ ¿>о(~ <7 + л/1 92 )со- ктг + <руо)~ Ехозт(й)1 - кт2 + ^о)]> (4) где /й]д - среднее значение показателя преломления ионосферного слоя плазмы, индекс 1 - для необыкновенной волны, индекс 2 - для обыкновенной волны ЕХ0,ЕУ0- значение горизонтальной и вертикальной компонент поля на нижней границе ионосферного слоя Б, <рХо><Рго " Ф33" горизонтальной и вертикальной компонент поля на нижней границе ионосферного слоя О;

<7 = б>г®Д2й)£.(о2 -~«л<)); «г= \е\ИаН0Т/т; = \е\р0Н01/т; а>1 = егы/те0;

Яот-=Я0аН01=Н0сс&5-, оаъ8=$таътР+<х>%усо$а<х>$Р\к-27г1Л-,е,т - заряд и масса электрона; - магнитная постоянная; N - концентрация ионосферной плазмы; с0 - диэлектрическая постоянная; Но - напряженность магнитного поля Земли; а - угол наклонения магнитного поля Земли в точке отражения; ¡}- угол места точки отражения; у-азимут пункта приема относительно пункта излучения (рис.5).

Выполнено описание поляризационной структуры поля волны на выходе из слоя ионосферной плазмы с помощью параметров Стокса. Через параметры Стокса найдена разность фаз ортогональных компонент поля Ф■

Рис.5.

жазано, что Фх-у зависит от угловых координат источника излучения, через ц и 1.2, здесь угловое положение источника излучения определяется углом у маг-ггного азимута пункта наблюдения.

Прием сигнала (4) осуществляется на фоне аддитивного гауссова белого ума одинакового в каждом канале приемника с нулевым средним значением с даосторонней спектрачьной плотностью Nо. Таким образом, на интервале [0,7] 1блюдешпо доступна реализация случайного процесса (2). На основе метода аксимального правдоподобия синтезирован алгоритм обработки поляризаци-шой структуры поля волны прошедшей ионосферную плазму. Точность оцен-1 углового положения источника излучения по полю волны прошедшей ионо-5>ерную плазму при выполнении условия высокой апостериорной точности меет вид

В^т/го)**

Л2

*2z2/2

Z(-i У

У;

ае 4'j = -

i/sin(25)(l-M?):

V/=l 2 f

Vj+mj

-2

(5)

4v(l-v)my

i-(-iy.

и sin2 <5-2(1-v)2

и = ю2и/й)

2 .

iju1sin4 8+4u(\-v)2 cos2 5 )fj =|ej//o|/?o|/'"; v = юдг/®2 ; I - путь волны в ионосфере.

Из (5) видно, что точность оценки определяется эквивалентной толщиной оносферной плазмы /, изменением разностей скорости обыкновенной и не-быкловенной мод, которые определяются параметрами ионосферной плазмы и еомагнитным положением источника излучения.

На рис. 6 приведены рассчитанные по (5) графики зависимости дисперсии ценки углового положения источника излучения по поляризационной струк-уре поля волны прошедшей ионосферную плазму от истинного геомагнитного

положения, определяемого углом у, для волны частотой J=\5МГц распространяющейся по трем ионосферным каналам под критическим утлом падения, определяемых высотой точки отражения: линия 1 - отражение от Es, линия 2 - отражение от F\, линия 3 - отражение от F2. Показано, что дисперсия оценки углового положения по поляризационной структуре поля волны прошедшей ионосферную плазму для коротких длил волн 1ри одной высоты отражения под критическими углами падения мало отличается друг от друга. Точность оценки растет при увеличении азимута, а соответственно при увеличении эквивалентной толщины слоя ионосферной плазмы. Точность оценки углового положения резко уменьшается при коллинеарном и ортогональном положении волнового вектора и вектора напряженности маг-

D(y)

0.1

] о"

10-

10

1

> [д 3х н

20

40 Рис.6.

60

Г, град

нитного поля Земли. Большие значения точности оценки характерны при выполнении условий для введенной модели распространения волны через ионосферную плазму, включающей в себя однородный параболический толстый слой магшгтоактивной плазмы, с точно известной высотой точки отражения, постоянство ориентации и напряженности магнитного поля Земли, а также прием поляризованного сигнала от источника излучения с помехами, обусловленными тепловыми шумами приемника.

Обработаны экспериментальные результаты измерения поляризационной структуры поля сигналов УКВ диапазона от удаленных телецентров, которые распространялись через спорадический слой Е ионосферы. Анализ экспериментальных данных подтвердил наличие зависимости поляризационной структуры сигнала прошедшего ионосферную плазму от географических координат источника излучения.

По экспериментальным данным значений сигнала прошедшего ионосферный канал распространения построена статистическая модель поляризационной структуры поля волны отраженной от спорадического слоя Для нормализации данных использовано логарифмирование нормированных значений амплитуд горизонтальной и вертикальной составляющих поля.

х, = 1п , у, = 1п Ен,, 7, = 1п(£1> -£//,),/,= 1пФ,, (6)

где Еу1,Ен[ - нормированные значения напряженности вертикальной и горизонтальной компонент поля; Ф, - разность фаз вертикальной и горизонтальной компонент поля.

Проведенный непараметрический анализ процессов (6) показал, что ош являются стационарными эргодическими процессами. Модели построены I классе процессов авторегрессии - скользящего среднего. Порядок модели оп ределяли совокупным анализом корреляционной и частной корреляционно! функции. Полученные модели проверялись на избыточность параметров и ве рифицированы. Так модели процессов и д являются моделями авторегрессш для большинства трасс третьего порядка. Процесс адекватно описывается дда большинства трасс моделью авторегрессии второго порядка, процесс /[ дл: всех трасс моделью авторегрессии первого порядка Таким образом, авторегрес сионная модель первого порядка, позволяют рассматривать флуктуации раз ности фаз компонент ортогонального поляризационного базиса измерительно го сигнала как белый шум, и рассчитывать точностные характеристики оценю углового положения источника излучеиия при ионосферном распространенш хотя бы для слоя О по формуле (5), но с другим отношением сигнал/шум, в кс торое добавляется интенсивность флуктуации измерительного сигнала.

В третьем разделе диссертации рассмотрено измерение углового положе ния источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошех шей ограниченную магнитоактивиую плазму. На основе энергетического бг ланса получена модель измерительного сигнала прошедшего ограничен ну! магнитоактивную плазму с учетом наложения эффектов Котгона-Мутона и Ф;

и

щея, без учета затухания Ландау. Геометрия задачи приведена на рис.7. Резное значение поля волны на выходе из слоя ограниченной магнитоактивной

[азмы имеет вид

2 2

х = cos(ft>(/- т/)4-щу = ££(-1) I)sin(ft>(r- г/) (7)

/=1 1=1

Mj = Ёщ^тЦЩ i M2 = EH2\dH2\/K2-, P, = £H1|dK1|cos6 ;

2 = EH2\dV2\cose-, =/.^/(ccosi?,); Ёт=2Ет/Е; EH2 = 2EH2/E\

}\=-V + PH\\4'2 = 4' + Phi-,4'\=-V + I3V\> + РН^РнтлРУЪ

h'i~ аргументы соответствующих коэффициентов прохождения на границе лазма-воздух; Е - амплитуда поля падающей волны; цг- угол, который состав-

яет вектор Е с плоскостью падения; <р0 - начальная фаза колебаний источни-

■> / 1 I-г- >/r/sin2(0. + а) , , „

a; v-coN jа ; Kj =qj+{-\)J J\+qj , = y J ' u^ojj/co*;

2(1 - vjcos^y + a I

)n =\e\/jo\Ho\Jm - гирочастота; озц - ^e2N¡тса; 9j- решения уравнений

i sin в -»j sin 6j\ e,m- заряд и масса электрона; диэлектрическая и маг-

итная постоянная; N - концентрация плазмы; в¡- угол между нормалью к

лоскости X0Y и волновыми векторами необыкновенной волны kN и обыкно-енной волны к0 для/= 1,2 соответственно; к = о/с, с-скорость света; п- пока-

атель преломления воздуха;

__—

2(1 - v) + wsin2(4 +а) +(-1У Jul sin*(§j + а) +4и(1 -

Выполнено описание поляризационной структуры поля волны на выходе [3 слоя ионосферной плазмы с помощью параметров Стокса. Через параметры Гтокса найдена разность фаз ортогональных компонент поля волны на выходе 13 слоя ограниченной магнитоактивной плазмы Фду. Показано, что Фху зависит от угловых координат источника излучения. Величина Фху определяется длинной пути обыкновенной и необыкновенной волн в плазме, концентрацией плазмы, граничными условиями и зависит от начальной поляризации волны источника излучения.

Прием сигнала (7) осуществляется на фоне аддитивного гауссова белого шума одинако-

Рис.7.

вого в каждом канале приемника с нулевым средним значением с односторонней спектральной плотностью Л/о- Таким образом, на интервале [0,7] наблюдению доступна реализация случайного процесса (2). На основе метода максимального правдоподобия синтезирован алгоритм обработки поляризационной структуры поля волны прошедшей ограниченную магнитоактивную плазму. В условиях высокой апостериорной точности найдена дисперсия оценки углового положения источника излучения по полю волны прошедшей ограниченную магнитоактивную плазму. Показано, что точность оценки определяется изменением разности скоростей обыкновенной и необыкновенной волн, определяемых параметрами ограниченной магнитоакгивной плазмы, граничными условиями и зависит от начальной поляризации волны источника излучения.

Графики зависимости дисперсии оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошедшей ограниченную магнитоактивную плазму при различном истинном угловом положении, определяемом углом а измеряемом в градусах, при фиксированном угле падения 9 для различных режимов магнитоакгивной плазы показаны на рис.8-рис.11. Показано, что дисперсия оценки углового положения увеличивается при коллинеарном и ортогональном положении волнового вектора и вектора напряженности магнитного поля. Дисперсия оценки углового положения для первого окна прозрачности магнитоактивной плазмы с параметрами и < 1 г 0 < V < V,,, постоянна в широком секторе углов; для второго окна прозрачности магнитоактивной плазмы заключенной между точкой резонанса для необыкновенной волны V = 1 - и и точкой отсечки обыкновенной волны у0 = 1 точносп оценки в небольшом секторе углов больше, чем для первого окна прозрачности с ростом точности оценки сужается сектор измеряемых углов; для третьего окна прозрачности с параметрами ы>1 и 0 < V < 1 и четвертого окна прозрачности при и> 1 заключенной между точкой резонанса для обыкновенной волнь:

20 40

Рис.8 Дисперсия оценки углового положения для первого окна прозрачности

Рис.9 Дисперсия оценки углового положения для второго окна прозрачности

О 20 43 60 80 а 0 20 40 60

ис.10 Дисперсия оценки углового положе- Рис.11 Дисперсия оценки углового положена для третьего окна прозрачности ния для четвертого окна прозрачности

=---и точкой отсечки необыкновенной волны у0 = 1 + 4и дисперсия

исо5 а — \

юнки углового положения весьма не постоянна, наблюдаются чередования омально низких и высоких точностей оценки углового положения. Сектор лов, где возможна аномально высокая точность, сужается с ростом точности (енки. Выполнены экспериментальные исследования возможности пракггиче-:ого измерения углового положения источника излучения по поляризованной руктуре поля волны прошедшей слой ограниченной магнитоактивной плаз-л. Измерения проводились для первого окна прозрачности плазмы при разиных концентрациях. Результаты эксперимента подтверждают наличие эф-гкта изменения поляризационной структуры поля волны прошедшей слой ог-[ниченной магнитоактивной плазмы при изменении углового положения ис-1чника излучения, а так же подтверждают введенные ранее приближения.

В заключении подведены итоги по диссертации в целом, сделаны общие .тоды и сформулированы основные результаты, которые сводятся к следую-ему:

1. Получена модель измерительного сигнала, прошедшего анизотропные ¡однородности среды с резкими границами раздела сред, а так же описана его эляризационная структура.

2. Синтезирован алгоритм обработки поляризационной структуры поля >лны, прошедшей изотропные и анизотропные неоднородности среды.

3. Найдены асимптотически точные формулы для расчета характеристик тенки углового положения источника излучения по поляризационной струк-фе поля волны, прошедшей изотропные и анизотропные неоднородности сре-а, в том числе анизотропной среды с резкими границами раздела, конкретизи-эванные для каждого режима плазмы с распространением двух мод - обыкло-;нной и необыкновенной волн.

4. Определены точностные характеристики оценки' углового положения

источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошедшей изотропные и анизотропные неоднородности среды, в том числе анизотропную среду с резкими границами раздела для различных электродинамических параметров этих сред.

5. В классе процессов авторегрессии и скользящего среднего, выбранных в качестве базисных функций, построены модели случайных процессов изменения во времени значений напряженности вертикальной и горизонтальной компонент поля волны прошедшей ионосферную плазму слоя О, а также их разности фаз. Найдены характерные времена корреляции этих процессов.

6. Показано, что наибольшая точность оценки углового положения источ-1шка излучения по поляризационной структуре поля для широкого сектора углов достигает для изотропных неоднородностсй с комплексной диэлектрической проницаемостью имеющей равные действительную и мнимую части, а так же в узком секторе углов для изотропных неоднородностсй с достаточно произвольными электродинамическими параметрами в окрестности углов Брюсте-ра.

7. Определены параметры холодной магнитоактивной плазмы с резкими границами раздела наиболее применимые для практического использования при определении углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны переизлученной неоднородной средой.

На основании полученных в диссертационной работе результатов, можно сделать следующие основные выводы:

1. Высокая апостериорная точность оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошедшей неоднородную среду достигается при большой величине разности действия среды на компоненты поляризационного ортогонального базиса поля электромагнитной волны.

2. Точностные характеристики оценки углового положения источника излучения зависят от параметров среды определяемых комплексной диэлектрической и магнитной проницаемостью.

3. Определение углового положения необходимо производить при априорно известной начальной поляризации источника излучения. Определение углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля с неизвестной начальной поляризацией невозможно.

4. Для измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля в широком секторе углов целесообразно использовать изотронные неоднородности среды, с комплексной диэлектрической проницаемостью имеющей равные действительную и мнимую части, а также магнитоак-тивную плазму с параметрами соответствующими первому окну прозрачности; в узком секторе углов для изотропных неоднородностей сред с достаточно произвольными электродинамическими параметрами в окрестности углов Брюсте-ра, для анизотропной среды - магнитоактивной плазмы в окрестности угла зна-

ic, которого определяется параметрами второго окна прозрачности.

Основные результаты диссертация опубликованы в работах:

1. Удалов В.Г1., Швырев Б.А. Обработка акустических сигналов с помо-э файлов данных / Повышение помехоустойчивости технических комплек-

охраны и системы защиты информации: Тезисы докладов межвузовской чно - практической конференция - Воронеж, ВВШ МВД РФ, 1997. - С.40.

2. Лукин Л.Н., Швырев В.Л. О методе построения модели речевого сига / Информатизация правоохрашнсльных систем: СОирник доклилов VI ждународной конференции - Москва, Академия Управления МВД, 1997. -54-265.

3. Лукин А.Н., Швырев Б.А. Определение углового положения источника учения с помощью гиротропкых сред / Охрана - 97: Тезисы докладов Все-:сийской научно-практической конференции - Воронеж, ВВШ МВД РФ, >7.-С. 142.

4. Лукин А.Н., Швырев Б.А. Измерение углового положения источника 1учения по полю, переизлученному диэлектриком / Научно - практическая (ференция ВВШ МВД России: Тезисы докладов. Часть 2. Воронеж, ВВШ ЗД РФ, 1998.-С. 124;

5. Лукин А.Н., Швырев Б.А. Точность оценки углового положения источ-ка излучения по поляризационной структуре поля / Научно - практическая нференция ВВШ МВД-России: Тезисы докладов. Часть 2. Воронеж, ВВШ ЗД РФ, 1998.

6. Лукина Т.А., Швырев Б.А. Оперативная информационная система вво-и классификации папиляриых рисунков пальцев рук / Современные проемы информатизации: Тезисы докладов Ш Международной электронной папой конференции - Воронеж, ВГПУ, 1998. - С.65-66.

7. Лукин А.Н., Зюльков A.B., Швырев Б.А. Оценка углового положения точника излучения по поляризационной структуре поля / Радиолокация, на-[гация, связь: Сборник докладов IV Международной научно-технической •нференции Воронеж, ФПТЦ ВНИИС, 1998. С.332-344.

8. Лукин А.Н., Швырева Б.А. Измерение углового положения источника шучения по поляризационной структуре поля // Радиотехника, 1998, № 6. -.44-49.

9. Лукин А.Н., Швырев Б.А. Условие пространственно-временной узко-элосности сложного источника излучения 1 Вестник Воронежского инсти-лга МВД России - Воронеж, 1999, № 2(4). - С.15-19.

10. Лукин А.Н., Швырев Б.А. Потенциальная точность оценки углового эложения источника излучения по поляризационной структуре поля с ненз-гстной начальной поляризацией / Охрана - 99: Тезисы докладов [II Всерос-ийской научно-практической конференции - Воронеж. Част 1. ВИ МВД РФ, 999. - С.45-46.

11. Лукин А.Н., Швырев Б.А. Анализ девиации фазы компонент поляриза-

ционного базиса волны прошедшей гиротфопную среду / Охрана - 99: Тез1 докладов Ш Всероссийской научно-практической конференции - Воро;: Част 1. ВИ МВД РФ, 1999. - С.47-48.

12. Лукин А.Н., Швырев Б.А., Сорокин И.В. Расчет параметров Стокса, волны, прошедшей слой мапгктоактнвной плазмы / Межвузовская научи практическая конференции: Тезисы докладов - Воронеж, ВИ МВД РФ, 2001 С.166-168.

13. Лукин А.Н., Швырев Б.А., Сорокин И.В. Оцеетса углового положа источника излучения при различных состояниях машитоактивной плазмь Межвузовская научно - практическая конференции: Тезисы докладов. Част - Воронеж, ВИ МВД РФ, 2000. - С.108.

14. Лукин А.Н., Швырев Б. А., Сорокин И.В. Расчет параметров Стокса . волны, прошедшей слои машитоактивной плазмы / Вестник Воронежем института МВД России - Воронеж, 2000, № 2(7). - С 34-39.

15. Лукин A.1I., Швырев H.A., Сорокин И.В. Оценка углового положе! источника излучения при различных состояниях машитоактивной плазм! Вестник Воронежского института МВД России - Воронеж, 2000, № 2(7)

16. Свид. на ПМ № 14785 РФ, 7 в 01 3 3/04. Устройство для измерения лового положения источника излучения / Лукин А.Н., Швырев Б.А. № 2000107707/20; Заявл. 03.04.2000; Опубл. 27.0g.2000.. - Бюл. № 24.

17. Лукин А.Н., Сидоркин А.Ф., Швырев Б.А. Устройство для определе* углового положения источника излучения ло поляризационной структуре по/ Радиотехника, 2000, №> 9. - С.50-54.

С.39-45.

Соискатель

Заказ NíüOi. отZQ.1t. 2000г. Тир.7ДОэкз. Лаборатория оперативной полиграфии 6ГУ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ ПО ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СТРУКТУРЕ ПОЛЯ ВОЛН ОТРАЖЕННЫХ ИЛИ ПРОШЕДШИХ ЧЕРЕЗ ИЗОТРОПНУЮ НЕОДНОРОДНОСТЬ СРЕДЫ.

1.1. Методы измерения углового положения источника излучения.

1.2. Синтез алгоритма обработки поляризационной структуры поля волн отраженных или прошедших через изотропную неоднородность среды.

1.3. Анализ характеристик алгоритма измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волн отраженны^йлй прошедших через изотропную неоднородность среды.V.

1.4. Экспериментальное измерение углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волн отраженных или прошедших через изотропную неоднородность среды.

1.5. Выводы.

2. ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ ПО ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СТРУКТУРЕ ПОЛЯ ВОЛНЫ ПРОШЕДШЕЙ ИОНОСФЕРНУЮ ПЛАЗМУ.

2.1. Модель сигнала, прошедшего через ионосферу.

2.2. Синтез алгоритма обработки поляризационной структуры поля волны прошедшей ионосферную плазму.

2.3. Анализ характеристик алгоритма измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны для различных каналов ионосферного распространения.

2.4. Экспериментальные измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошедшей ионосферную плазму.

2.5. Статистическая модель сигнала, отраженного спорадическим слоем Е ионосферы.

2.6. Выводы.

3. ИЗМЕРЕНИЕ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ

ПО ПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ СТРУКТУРЕ ПОЛЯ ВОЛНЫ

ПРОШЕДШЕЙ ОГРАНИЧЕННУЮ МАГНИТОАКТИВНУЮ

ПЛАЗМУ.

3.1. Модель сигнала прошедшего ограниченную магнитоактивную плазму.

3.2. Синтез алгоритма оптимальной обработки поляризационной структуры поля волны прошедшей ограниченную магнитоактивную плазму.

3.3. Анализ характеристик алгоритма измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны для различных режимов ограниченной магнитоактивной плазмы.

3.4. Экспериментальное измерение углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошедшей ограниченную магнитоактивную плазму.

3.5. Выводы.

Измерение углового положения источника излучения обычно выполняют, оценивая положение эквифазной поверхности путем измерения зна-| чения фаз поля в различных точках приемной антенны. Производными методами являются амплитудно-фазовый метод, амплитудный метод и его разновидности метод максимума, метод минимума, равносигнальный метод Точность оценки углового положения источника излучения определяется отношением длины волны к размеру апертуры приемной антенны. Поэтому для измерения углового положения источника излучения с высокой точностью требуется антенна большого в длинах волн размера. Большие размеры антенн приводят к проблемам создания их конструкций, которые должны удовлетворять требованиям по точности изготовления, механическим нагрузкам и т.д.

Кроме этого имеют место ограничения по точности принципиального характера, когда размеры приемной антенны (или антенного комплекса) соизмеримы с дальностью до источника излучения. В этом случае, из-за кривизны волнового фронта источника излучения, точность оценки углового положения источника излучения уменьшается.

Другой способ измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля его волны предварительно, до регистрации, прошедшей через изотропную или анизотропную неоднородность среды. В этом способе отношение длинны волны к поперечным размерам приемной антенны уже не является фактором, определяющим точность оценки углового положения, а зависит от разности действия среды на компоненты вектора электромагнитного поля ортогонального поляризационного базиса. Здесь, неоднородная среда, которая помещается на пути между источником излучения и приемной антенной, выполняет роль трансформатора волнового вектора в поляризационную структуру поля волны.

Флуктуационные явления, сопровождающие процессы излучения, распространения и регистрации электромагнитных волн, приводят к снижению точности измерений углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля. Кроме того, существенное влияние на точность измерения оказывают априорные сведения относительно поляризационной структуры поля электромагнитной волны. Поэтому синтез алгоритма обработки поля необходимо производить с учетом этих факторов.

В литературе известны лишь точностные характеристики оценки углового положения источника излучения по поляризационному методу в маг-нитоактивной плазме, да и то лишь для некоторых её состояний. В связи с этим представляет научный и практический интерес исследовать применение неоднородных сред с различными изотропными и анизотропными параметрами неоднородностей естественного и искусственного происхождения для оценки углового положения источника излучения с точки зрения получения предельных точностных характеристик оценки.

Цель диссертационной работы - исследование предельных точностных характеристик оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля при использовании неоднородных сред естественного и искусственного происхождения с различными электродинамическими параметрами изотропных и анизотропных неоднородностей.

Представленные в диссертации вопросы изложены в трех разделах

В первом разделе рассмотрено ограничение на точность оценки углового положения источника интерферометрическим способом вызванное кривизной его волнового фронта. Найден алгоритм измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны отраженной или прошедшей изотропную неоднородность среды. Исследованы свойства выходного колебания приемника максимального правдоподобия. Получены выражения для расчета характеристик оценки углового положения источника излучения. Вычислены характеристики оценки углового положения источника излучения для проводящих и непроводящих изотропных неоднородностей. Проведено исследование влияния параметров изотропной неоднородности на точность оценки углового положения источника излучения. Выполнены экспериментальные исследования.

Во втором разделе записана модель измерительного сигнала прошедшего анизотропную неоднородность среды - ионосферную плазму. Описана поляризационная структура поля волны на выходе из слоя ионосферной плазмы. Найден алгоритм измерения углового положения источника излучения поляризационной структуры поля волны прошедшей ионосферную плазму. Получены выражения для расчета характеристик оценки углового положения источника излучения. Вычислены характеристики оценки углового положения источника излучения для различных каналов ионосферного распространения. Обработаны результаты экспериментальных измерений поляризационной структуры поля электромагнитной волны отраженной от спорадического слоя Ея. По экспериментальным данным построена модель флуктуаций компонент ортогонального поляризационного базиса в классе процессов авторегрессии и скользящего среднего. Выполнен анализ экспериментальных данных.

В третьем разделе записана модель измерительного сигнала прошедшего анизотропную неоднородность среды - ограниченную магнитоактив-ную плазму. Описана поляризационная структура поля волны прошедшей ограниченную магнитоактивную плазму. Найден алгоритм обработки поляризационной структуры поля волны прошедшей ограниченную магнитоактивную плазму. Найдены выражения для расчета характеристик оценки углового положения источника излучения. Вычислены характеристики оценки углового положения источника излучения для различных режимов ограни7 ченной магнитоактивной плазмы. Проведено исследование влияния параметров ограниченной магнитоактивной плазмы на точность оценки углового положения источника излучения. Выполнены экспериментальные измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуры поля волны прошедшей ограниченную магнитоактивную плазму газового разряда.

В заключении приведены выводы по работе в целом.

Результаты диссертационной работы докладывались на 3 Международных, 2 всероссийских, 2 межвузовских конференциях и 1 научно-практической конференции Воронежского института МВД России, опубликованы в 17 работах, в том числе свидетельство на полезную модель.

3.5. Выводы

1. Записана модель измерительного сигнала прошедшего ограниченную 1 магнитоактивную плазму с резкими границами раздела, через параметры Стокса описана его поляризационная структура.

2. Синтезирован алгоритм измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля сигнала прошедшего ограниченную магнитоактивную плазму с резкими границами раздела.

3. Получены соотношения для расчета точностных характеристик углового положения источника излучения, сигнал которого прошел ограниченную магнитоактивную плазму с резкими границами раздела. Показано, что невозможно проводить измерение углового положения источника излучения с неизвестной начальной поляризацией.

4. Выполнен расчет и проведен анализ дисперсии оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошедшей ограниченную магнитоактивную плазму с резкими границами раздела для четырех окон прозрачности плазмы. Показано, что в первом окне прозрачности дисперсия оценки углового положения постоянна в широком секторе углов, для второго окна прозрачности точность оценки в небольшом секторе углов больше, чем для первого окна, с ростом точности оценки сужается сектор измеряемых углов, в третьем и четвертом окне прозрачности дисперсия оценки углового положения в измеряемом секторе углов весьма не постоянна.

5. Выполнены экспериментальные измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошедшей ограниченную магнитоактивную плазму газового разряда при различных концентрациях плазмы, которые подтверждают наличие эффекта изменения поляризационной структуры поля волны прошедшей ограниченную магнитоактивную плазму с резкими границами раздела двух сред при изменении углового положения источника излучения. Результаты экспериментальных исследований подтверждают правильность записи модели измерительного сигнала на выходе из слоя ограниченной магнитоактивной плазмы, полученной на основе энергетического баланса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена исследованию предельных точностных характеристик оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля при использовании неоднородных сред естественного и искусственного происхождения с различными электродинамическими параметрами изотропных и анизотропных неоднородностей. При решении поставленной задачи использовался метод максимального правдоподобия.

В работе получены следующие результаты:

1. Получена модель измерительного сигнала прошедшего анизотропные неоднородности среды с резкими границами раздела сред, а так же описана его поляризационная структура.

2. Синтезирован алгоритм обработки поляризационной структуры поля волны прошедшей изотропные и анизотропные неоднородности среды.

3. Найдены асимптотически точные формулы для расчета характеристик оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошедшей изотропные и анизотропные неоднородности среды, в том числе анизотропной среды с резкими границами раздела, конкретизированные для каждого режима плазмы с распространением двух мод - обыкновенной и необыкновенной волн.

4. Определены точностные характеристики оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошедшей изотропные и анизотропные неоднородности среды, в том числе анизотропные среды с резкими границами раздела для различных электродинамических параметров этих сред.

5. В классе процессов авторегрессии и скользящего среднего, выбранных в качестве базисных функций, построены модели случайных процессов изменения во времени значений напряженности вертикальной и горизонтальной компонент поля волны прошедшей ионосферную плазму слоя Б, а также их разности фаз. Найдены характерные времена корреляции этих процессов.

6. Показано, что наибольшая точность оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля в широком секторе углов достигается при использовании изотропных неоднородностей с комплексной диэлектрической проницаемостью, имеющей равные действительную и мнимую части, а так же в узком секторе углов при использовании изотропных неоднородностей с достаточно произвольными электродинамическими параметрами в окрестности углов Брюстера.

7. Определены параметры ограниченной магнитоактивной плазмы, наиболее применимые для практического использования для определения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волны прошедшей анизотропную неоднородность.

На основание результатов полученных в диссертационной работе можно сделать следующие выводы:

1. Высокая апостериорная точность оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля волн отраженных или прошедших изотропную неоднородность обеспечивается за счет изменения поляризационной структуры на границе раздела сред. Наибольшая точность оценки углового положения источника излучения достигается в широком секторе углов при использовании изотропных неоднородностей среды с комплексной диэлектрической проницаемостью имеющей равные действительную и мнимую части, в узком секторе углов при использовании изотропных неоднородностей среды с достаточно произвольными электродинамическими параметрами в окрестности углов Брюстера.

2. Точность оценки углового положения источника излучения при распространении волн через ионосферу зависит от утла между волновым вектором и вектором напряженности магнитного поля Земли, а также от длинны пути волны в ионосфере.

3. Результаты анализа экспериментальных данных значений сигнала прошедшего ионосферный канал распространения показали наличие зависимости поляризационной структуры поля от географических координат источника излучения.

4. Дисперсия оценки углового положения при прохождении волны через | ограниченную плазму практически не зависит от истинного значения угла в | первом окне прозрачности магнитоактивной плазмы. Во втором окне прозрачности магнитоактивной плазмы дисперсия оценки угла меньше чем в первом, но в узком секторе углов. В третьем окне прозрачности магнитоактивной плазмы дисперсия оценки углового положения сильно зависит от параметров плазмы. В четвертом окне прозрачности магнитоактивной плазмы точность оценки углового положения низкая.

Таким образом в диссертационной исследовано влияния изотропных и анизотропных неоднородностей среды с различными электродинамическими параметрами на точность оценки углового положения источника излучения. Проведены экспериментальные измерения углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля. Полученные результаты позволяют выбрать параметры неоднородности среды и алгоритм оценки углового положения источника излучения по поляризационной структуре поля в зависимости от имеющейся априорной информации и от требований, предъявляемых к точности оценки, сектору оцениваемых углов и к степени простоты технической реализации. Полученные результаты могут найти применение в радиолокации, пассивной локации, в системах радиосвязи и др.